Самым простым примером гомеостаза является поддержание температуры тела: если на улице дубак и метель, то организм включает систему отопления и берёт ресурсы из жировых тканей. Если на улице зной и солнцепёк, то организм включает систему охлаждения, и вы начинаете потеть. Так что температура вашего тела, если вы здоровы, всегда будет на уровне 36,6 градусов Цельсия, где бы вы ни находились.

Вот отличный видеоролик, где парень подробно объясняет вам, что такое «гомеостаз».

Вы узнали, откуда произошло слово Гомеостаз, его объяснение простыми словами, перевод, происхождение и смысл.
Пожалуйста, поделитесь ссылкой «Что такое Гомеостаз?» с друзьями:

И не забудьте подписаться на самый интересный паблик ВКонтакте!

Гомеостаз (ударение на «а») это способность системы поддерживать свои параметры в нужном диапазоне, несмотря на внешнее влияние.

Вот отличный видеоролик, где парень подробно объясняет вам, что такое «гомеостаз».

Гомеостаз клетки

Гомеостаз на уровне организма или клетки — это частный случай наблюдаемого в природных открытых системах поддержания стационарного состояния. В простых физико-химических системах стационарное состояние определяется постоянством внешних условий. Биологические системы способны активно противостоять изменениям окружающей среды и стационарное состояние у них — следствие функционирования механизмов регуляции.[ …]

Понятие «гомеостаз» широко используется в экологии для характеристики устойчивости различных систем. Гомеостаз клетки определяется специфическими физико-химическими условиями, отличными от условий внешней среды; гомеостаз многоклеточного организма — поддержанием постоянства внутренней среды. Константами гомеостаза животных являются объем, состав крови и других жидкостей организма. [ …]

По уровню гомеостаза предлагают судить о потенциальной устойчивости организма и клетки. Поэтому малость отклонения в живой системе по сравнению с величиной воздействия его вызывающего должна свидетельствовать о большей устойчивости системы (Левич, 1976). По нашему мнению, в последнем случае правильнее было бы говорить не об устойчивости живой системы, а о ее «робастности» (robust), т.е. об устойчивости к возмущениям. Явление биологической устойчивости много сложнее понятия стабильности гомеостатического состояния. Например, «реакция сверхчувствительности» — важный компонент устойчивости у растения, обеспечивает его выживаемость именно из-за высокой реактивности клеток организма к внешнему воздействию.[ …]

По-видимому, гомеостаз, как стремление физиологических систем вести себя так, чтобы сохранить постоянство функции, в настоящий момент уже нельзя считать главным принципом работы живой системы. Настало время обратить внимание на то, что хаотичность поведения живой системы является ее нормальным неотьемлимым свойством. Пребывание в состоянии неустойчивости и повышенной чувствительности — функционально важное событие в жизнедеятельности организма и клетки. Возможно, что таким образом удасться объяснить факты сверхвысокой чувствительности биологических объектов: эффекты малых доз, реакцию на отдельные молекулы и кванты, поскольку система в хаотическом состоянии обладает удивительным свойством экспоненциально усиливать начальные малые изменения.[ …]

Первые настоящие клетки — прокариоты-автотрофы, жившие около 3,5 млрд. лет тому назад (нынешние сине-зеленые водоросли — их прямые потомки) не знали естественной смерти, были индивидуально бессмертны. Живя в почти кипящем океане или в пересыхающих сернистых озерах, в крайне нестабильной среде, они очень просто и надежно поддерживали свой гомеостаз и были самыми жизнестойкими из когда-либо существовавших после них клеток. И все же будущее принадлежало не только им. Когда благодаря их жизнедеятельности в атмосфере Земли и воде океана появилось заметное количество кислорода, погибли многие анаэробные прокариоты, но возникли дышащие кислородом эукариоты. Они намного эффективнее смогли использовать энергию солнца. Но заплатили за это преимущество очень дорого: утратой бессмертия.[ …]

Наблюдения показывают, что в стрессе клетка может пребывать и несколько часов и несколько дней. Длительность состояния определяет природа действующего фактора, а также то, продолжается ли воздействие или оно прекратилось. Для возобновления нормальной жизнедеятельности клетке необходимо выйти из стресса в любом случае. При сохранении экстремальной ситуации релаксация в активное состояние должна естественно сопровождаться адаптивной модификацией белок-липидных компонентов цитоскелетно-мембранного каркаса клетки и устанавлением нового уровня клеточного гомеостаза.[ …]

Кроме вышеуказанных «общеорганизменных» функций наличие гомеостаза организма существует еще одна очень важная особенность: живое вещество как бы создает еще одну среду обитания, а именно возможность заселения организма другими живыми существами для постоянного или временного обитания. Это созданная жизнью новая биотическая среда обитания. К существам, которые заселяют эту среду, многие специалисты относят вирусы. Так, И.А. Шилов (2000) считает, что исключительная простота их устройства является вторичным явлением, даже скорее это вновь возникшая форма живых существ, полностью осврившая внутриклеточную среду в организмах других уровней. Вторым подтверждением этого тезиса является то, что вирусы обладают высокой степенью сложности и разнообразия генетической системы. Упрощение строения, ставшее возможным благодаря обязательным безусловным связям вирусов с хозяином-организмом, обеспечивающим стабильные условия жизни, затронуло даже фундаментальные свойства, присущие подавляющему большинству форм жизни: вирусы не обладают раздражимостью и лишены собственного аппарата синтеза белка. Вирусы не способны к самостоятельному существованию, и их связь с клеткой —это не только пространственная, но и жесткая функциональная связь, с которой клетка и вирус представляют некое единство. [ …]

Таким образом, можно считать, что злокачественное перерождение клетки начинается с частичных изменений структуры онковирусов при воздействии ЭМИ. В частности, действие флуктуа-ционных ЭМИ (УФИ «С») обеспечивает усиление процессов перестройки зарядовых компонент ионного гомеостаза (ионов, макромолекул) прежде всего в дефектных областях, к которым относится геном онковируса. В то же время в состояниях, близких к равновесным, в бездефектных областях зарядовая компонента слабо реагирует на случайные вариации свободной энергии.[ …]

Представленную на рис. 20 схему многофазной реакции растительной клетки на нарастающее внешнее воздействие целесообразно сопоставить со стадиями стресса, предлагаемыми некоторыми фитофизиологами. Мы имеем в виду тех из них, которые находят параллели между трехфазным ответом у высших животных (стадии тревоги, сопротивления и истощения), обнаруженным Г.Селье, и поведением растения (или клетки) при стрессе. Отметим, что такая классификация фаз реакции животного не является единственной. Например, 14.А.Аршавский с соавторами (1987) предлагает различать физиологический и патологический стрессы. Первый характеризуется ростом напряженности организма, активацией анаболических процессов, повышением неспецифической резистентности и адаптационных возможностей, способностью организма сохранять гомеостаз. В условиях, выходящих за пределы физиологического стресса, развивается патологический: снижается общая резистентность, катаболические процессы преобладают над восстановительными, организм теряет энергетический резерв, устойчивость и надежность. Оба типа стресса являются многофазными реакциями.[ …]

На многоклеточном уровне появляется внутренняя среда, в которой находятся клетки различных органов и тканей, и это приводит к совершенствованию и развитию механизмов гомеостаза, в первую очередь нервных и гормональных. У большинства животных устанавливаются и поддерживаются на определенном уровне такие показатели внутренней среды, как температура тела и отдельных его частей, кровяное и осмотическое давление, объем, ионный состав и pH жидкостей внутренней среды и т. п.[ …]

Третья фаза — фаза устойчивой адаптации. На этом этапе повышается синтез белков, активизируются иммунные системы. Клетки тканей активизируются и обеспечивают новый уровень гомеостаза, соответствующий новым условиям существования.[ …]

Низкий уровень свободного кальция в цитозоле обеспечен динамическим равновесием иона на плазмалемме и тонопласте клетки (подробнее см. Briskln, 1990). Тонопласт беден этим ферментом, и поступление ионов кальция в вакуоль в обмен на протоны поддерживается электрическим градиентом на мембране. Ингибирование этих механизмов может увеличить поток кальция в цитозоль и быть причиной нарушения кальциевого гомеостаза клетки и даже привести ее к гибели.[ …]

Возникновение жизни на Земле, появление одноклеточных организмов было связано с формированием и непрестанным поддержанием в клетке в течение всей ее жизни специфических физико-химических условий, отличающихся от условий окружающей среды. Способность биологических систем противостоять изменениям и сохранять динамически относительное постоянство состава и свойств называется гомеостазом; Явления гомеостаза наблюдаются на всех уровнях биологической организации. [ …]

Схема позволяет сделать еще ряд общих замечаний. Например, изменение чувствительности живой системы и вариабельности ее ответов может служить объективным критерием для выделения фаз в реакции клетки на внешнее воздействие. Очевидны причины разграничения понятий чувствительность и устойчивость. Для определения чувствительности живого объекта по порогу и величине отклика на стандартное воздействие уровень последнего не должен выходить за границу толерантной области, чтобы не нарушать механизмы гомеостаза клетки и не переключить ее в состояние стресса. Измерение устойчивости живой системы, т.е. отыскание границ переносимых ею условий, производится при напряженности фактора соответствующего второму максимуму на рис. 20. Это воздействие нарушает функцию репараторных механизмов клетки.[ …]

Усиливая флуктуации зарядовых компонент ионного гомео-стаза (ионов, макромолекул), способных реагировать на данную частоту поля, ЭМП изменяет величину свободной энергии систе-мы зарядов ионного гомеостаза. В состояниях, близких к равновесным, заряды слабо реагируют на случайные вариации свободной энергии. Тогда, согласно положению Л.Д. Ландау, функция корреляции биологической микроскопической системы (р быстро затухает уже на расстояниях г, сравнимых с молекулярными. Однако при фазовых переходах ср приобретает дальнодействующий характер, что эквивалентно увеличению кооперативности процесса и вовлечению в него ранее не участвующих компонентов ионного гомеостаза. Тогда зависящая от ср свободная энергия взаимодействующей с полем системы будет значительно изменяться, что в свою очередь может приводить к изменениям процессов деления и роста клеток, в частности в результате ферментативных реакций. При обсуждении возможных механизмов влияния ЭМП на активность ферментов следует учитывать данные об изменении соотношения в клетках свободной и связанной воды, поскольку изменение степени структурированности воды в тканях может вызвать изменение под действием ЭМП кинетики ферментативных реакций. Для различных ферментов одно и то же ЭМП может как активизировать, так и подавлять соответствующие реакции. [ …]

Многие генетически детерминированные реакции организмов на внешние факторы среды имеют адаптивный характер, что обеспечивает жизнь и размножение организмов в колеблющихся условиях среды. Среди адаптивных реакций различают физиологический гомеостаз и гомеостаз развития. Физиологический гомеостаз — это генетически детерминированная способность организмов противостоять колеблющимся условиям внешней среды У млекопитающих, в том числе у человека, типичным примером физиологического гомеостаза является константность осмотического давления в клетках и концентрация водородных ионов в крови вследствие функционирования почек и наличия в крови буферных субстанций. Гомеостаз развития — это генетически детерминированная способность организмов так изменять отдельные реакции, что функции организмов при этом в целом сохраняются. Например, выход из строя одной почки сопровождается тем, что остающаяся почка выполняет двойную нагрузку. Примером гомеостаза развития может быть также приобретение переболевшим организмом иммунитета против соответствующей инфекции. [ …]

Излучение каждого из диапазонов ЭМИ на первый взгляд об-лаДаеТ св°ей сферой действия, не имеющей тесной связи со сферами действия других диапазонов. Однако способность биологиче-сКих систем противостоять изменениям и сохранять относительное постоянство состава и свойств (гомеостаз) подразумевает, что любые изменения в организме, в различных его системах, состоящих из функционально связанных между собой элементов, не могут быть изолированными, то есть изменения одних функций должны вызывать изменения других. Если говорить о клетках, элементы которых участвуют в выполнении различных функций, то на них существенное влияние оказывают излучения всех диапазонов ЭМИ.[ …]

При переключении (переходе) системы в новое устойчивое состояние она должна подойти к области неустойчивости (седловая точка в пространстве переменных или бифуркационная точка в пространстве параметров). Здесь поведение системы делается нерегулярным (стохастичным) и небольшие случайные флуктуации условий (шумы) фатально изменяют ее состояние. Поэтому переход клетки в новое устойчивое состояние (стресс) возможен лишь при ее отклонении от исходного состояния (гомеостаза) до границы толерантной области, где последний нарушается. В результате должна возрасти чувствительность клетки к различным воздействиям. Кроме того, как следствие влияния малых неконтролируемых возмущений (шумов) следует ожидать рост вариабельности свойств клетки.[ …]

Гомеостаз | Biomol RU

Человек, как закрытая система

Наверное, Вы не раз задумывались, что является причиной стабильности и счастливого роста одних, а неудач и падения других. Возможно, Вы пришли к выводу, что на то, что произошло или происходит, оказывают влияние внешние факторы, которые способны помочь или навредить.

Каждый из нас представляет собой стабильную систему психофизического и энергетического равновесия. Организм взрослого полностью сформирован и способен к самостоятельному существованию и поиску своего места в мире.

Человек как единое целое будет функционировать стабильно только тогда, когда сохраняется равновесие одновременно в теле и в мыслях.

Гомеостаз в закрытой системе

Такое общее внутреннее состояние стабильного равновесия называется гомеостазом. Не относится исключительно к человеку, но также ко всем закрытым системам, которые существуют самостоятельно и создают большую, более полную целостность, влияющую на окружающую среду. Закрытой системой является автомобиль, на котором мы ездим, дом, где мы проживаем, фирма, где мы работаем, государство, в котором мы живём и наша планета, в атмосфере которой мы пребываем всю жизнь. Эти системы имеют своё предназначение и задания для выполнения, так же, как человек должен выполнить какие-то задания в своей жизни, и его судьба зависит в значительной степени от внешних факторов.

Гомеостаз в организме человека

Сохранением гомеостаза организма давно занимаются старейшие медицины — китайская или аюрведа. Известны разные способы открытия причин нарушения здоровья и стабильности. Всегда принимается во внимание человек, как целостность, всё, что с ним происходит и то что может повлиять на сдвиг гомеостаза в худшую сторону.

Так же, как существует множество возможных закрытых систем, и каждая из них имеет иные потребности, признаки и возможности, так же много существует и личностей людей, отличающихся своими особенностями и потребностями.

Автомобиль, который будет заправлен несоответствующим топливом, а для его консервации будет использовано плохое масло и неподходящие запчасти, очень быстро сломается. То же самое касается сотрудника (несмотря на то что сотрудник это человек), который, во-первых, не выполняет работу согласно своим способностям, во-вторых, не получает соответствующего вознаграждения и, в-третьих, эксплуатируется сверх меры. Вместе с тем, когда говорим о живом сотруднике, возможна обратная ситуация, когда награждается слишком хорошо за небольшой объем выполненной работы. Тогда сторудник может стать сонливым и ленивым, и не очень охотно приступит к более трудным заданиям.

Гомеостаз и питание

Эти примеры легко отнести к человеку, который может кушать продукты неподходящие для этого человека, как с точки зрения их энергетической ценности, так и поддержания чистоты организма, вредные, или вообще есть слишком много или слишком мало. Существуют случаи, когда организм человека приспосабливается к определенному питанию, которое не является для этого человека вредным сразу же. Однако через некоторое время такое питание приводит к более быстрому износу системы и излишне отягощает отдельные части тела.

Как продукты могут влиять на гомеостаз?

У нас есть много возможностей формирования собственных привычек. Имея огромное предложение разнообразных продуктов возникает соблазн хотя бы попробовать. Как обычно и во всем, часть этих продуктов нам полезна, а другая же наоборот. То же в значительной степени касается и промышленных продуктов. Массово производимые, унифицированные и производимые по универсальным правилам, которые необязательно полезны всем одинаково, хотя может быть, что всем одинаково вредны. Каждый продукт питания, начиная от обычной питьевой воды, через немного более сложные натуральные продукты типа овощи или фрукты, и заканчивая сложными продуктами такими, как готовые колбасы, переработанные блюда и напитки, имеет определённый состав и содержание химических веществ, которые влияют на наше здоровье и гомеостаз и это влияние может быть различным.

Где золотая середина?

Как во всём єтом найти золотую середину, благодаря которой все наши внутренние органы и системы будут в гомеостазе и обеспечат нам здоровье и силу?

Всеобщее благополучие способствует легкости жизни и развитию. Но, как всегда, избыток вреден. Дополнительно, все усложняет быстрота принятия решений о выборе продуктов. Часто у нас нет шансов задуматься над тем, что мы должны есть, едим то, что попадет под руку, что дешевле, более вкусно и готовится быстро. Поступление топлива непрерывно, однако качество и полезность не всегда соответствующие.

В чём помогает Микроэлементный Анализ Волос?

Наша задача — определить на основании исследований, совместных наблюдений, консультаций и интерпретации, какой тип метаболизма у каждого пациента. Какие направления поддержки гомеостаза преобладают в организме и как обеспечить гомеостазу стабильную защиту от вредного воздействия внешних факторов. Мы под лупой рассматриваем кислотно-щелочное равновесие организма, гомеостаз катаболизм — анаболизм, а также гормональное и энергетическое равновесие. Мы проверяем, является ли этот организм симпатиком, который собирает доступную поблизости еду, или же парасимпатиком — охотником, который ищет определённую добычу.

Мы помогаем найти первоначальный инстинкт организму, который как закрытая система нуждается в определённом сотрудничестве с пищевой средой, для того чтобы работать наилучшим образом и при этом жить во здравии и с удовольствием как можно дольше.

Гомеостаз – что это такое в биологии и медицине: его значение в организме человека

Среди свойств, присущих живым существам, упоминают гомеостаз. Этим понятием называют относительное постоянство, характерное для организма. Стоит разобраться детально, для чего нужен гомеостаз, что это такое, и как он проявляется.

Сущность понятия

Под гомеостазом подразумевают свойство живого организма, позволяющее сохранять важные характеристики в пределах допустимых норм. Для нормального функционирования необходимо постоянство внутренней среды и отдельных показателей.

Внешнее влияние и неблагоприятные факторы приводят к изменениям, что негативно сказывается на общем состоянии. Но организм способен самостоятельно восстанавливаться, возвращая свои характеристики к оптимальным показателям. Это происходит благодаря рассматриваемому свойству.

Рассматривая понятие гомеостаз и выясняя, что это такое, необходимо определить, как реализуется это свойство. Проще всего в этом разобраться на примере клеток. Каждая представляет собой систему, которая характеризуется подвижностью. Под влиянием определенных обстоятельств ее особенности могут меняться.

Для нормальной жизнедеятельности клетка должна обладать теми свойствами, которые оптимальны для ее существования. Если показатели отклоняются от нормы, жизнеспособность снижается. Чтобы не допустить гибели, все свойства должны возвращаться в исходное состояние.

В этом и заключается гомеостаз. Он нейтрализует любые перемены, возникшие вследствие воздействия на клетку.

Это интересно! Урок биологии: молекула АТФ – что это такое

Определение

Дадим определение, что это за свойство живого организма. Первоначально этим термином называли способность к поддержанию постоянства внутренней среды. Ученые предполагали, что этот процесс затрагивает только межклеточную жидкость, кровь и лимфу.

Именно их постоянство позволяет поддерживать организм в устойчивом состоянии. Но в дальнейшем была обнаружено, что такая способность присуща любой открытой системе.

Определение гомеостаза изменилось. Теперь так называется саморегуляция открытой системы, которая заключается в поддержании динамического равновесия через осуществление скоординированных реакций. Благодаря им, система сохраняет относительно постоянными параметры, необходимые для нормальной жизнедеятельности.

Этот термин стали употреблять не только в биологии. Он нашел применение в социологии, психологии, медицине и других науках. В каждой из них имеется своя трактовка этому понятию, но суть у них общая постоянство.

Характеристики

Чтобы разобраться, что именно называется гомеостазом, следует выяснить, каковы характеристики этого процесса.

Явлению присущи такие особенности, как:

1. Стремление к равновесию. Все параметры открытой системы должны находиться в соответствии друг с другом.
2. Выявление возможностей к адаптации. Прежде, чем параметры будут изменены, система должна установить, есть ли возможность адаптироваться к изменившимся условиям жизнедеятельности. Это происходит путем анализа.
3. Непредсказуемость результатов. Регуляция показателей не всегда приводит к положительным изменениям.

Рассматриваемое явление представляет собой сложный процесс, осуществление которого зависит от разных обстоятельств. Его протекание обусловлено свойствами открытой системы и особенностями условий ее функционирования.

Это интересно! Что это такое хромосомная и геномная мутация

Применение в биологии

Этот термин употребляется не только в отношении живых существ. Его используют в разных сферах. Чтобы лучше понять, что такое гомеостаз, нужно выяснить, какой смысл в него вкладывают биологи, поскольку именно в этой области его употребляют чаще всего.

Эта наука приписывает данное свойство всем существам без исключения, независимо от их устройства. Оно характерно одноклеточным и многоклеточным. У одноклеточных проявляется в сохранении постоянства внутренней среды.

У организмов с более сложным строением эта особенность касается отдельных клеток, тканей, органов и систем. Среди параметров, которые должны быть постоянными, можно назвать температуру тела, состав крови, содержание ферментов.

В биологии гомеостаз это не только сохранение постоянства, но и способность организма приспосабливаться к меняющимся условиям среды.

Это интересно! Что такое пищеварительная вакуоль: строение и основные функции

Биологи различают два типа существ:

1. Конформационные, у которых организменные показатели сохраняются, независимо от условий. К числу таких относятся теплокровные животные.
2. Регуляторные, реагирующие на изменения внешней среды и адаптирующиеся к ним. К таким принадлежат земноводные.

При нарушениях в этой сфере восстановление или адаптация не наблюдаются. Организм становится уязвимым и может погибнуть.

Как происходит у человека

Человеческое тело состоит из большого числа клеток, которые взаимосвязаны и образуют ткани, органы, системы органов. Вследствие внешних воздействий в каждой системе и органе могут возникать изменения, которые влекут за собой перемены во всем организме.

Но для нормального функционирования тело должно сохранять оптимальные особенности. Соответственно, после любого воздействия ему нужно вернуться в исходное состояние. Это происходит благодаря гомеостазу.

Это свойство затрагивает такие параметры, как:

• температура,
• содержание питательных веществ,
• кислотность,
• состав крови,
• выведение отходов.

Все эти параметры влияют на состояние человека в целом. От них зависит нормальное протекание химических реакций, способствующих сохранению жизни. Гомеостаз позволяет восстановить прежние показатели после любого воздействия, но не является причиной адаптационных реакций. Это свойство общая характеристика большого количества процессов, действующих одновременно.

Это интересно! Урок биологии: сколько пар хромосом у нормального человека

Для крови

Гомеостаз крови является одной из основных характеристик, влияющих на жизнеспособность живого существа. Кровь представляет собой его жидкую основу, поскольку находится в каждой ткани и каждом органе.

Благодаря ей осуществляется снабжение отдельных частей тела кислородом, и производится отток вредных веществ и продуктов обмена.

Если имеются нарушения в крови, то выполнение этих процессов ухудшается, что сказывается на работе органов и систем. От постоянства ее состава зависят все другие функции.

Эта субстанция должна сохранять относительно постоянными следующие параметры:

• уровень кислотности,
• осмотическое давление,
• соотношение электролитов в плазме,
• количество глюкозы,
• клеточный состав.

Благодаря наличию способности к поддержанию этих показателей в пределах нормы, они не изменяются даже под влиянием патологических процессов. Незначительные колебания им присущи, и это не вредит. Но они редко превышают нормальные значения.

Это интересно! Если в данной сфере возникают нарушения, то параметры крови не возвращаются в исходное положение. Это указывает на присутствие серьезных проблем. Организм оказывается неспособным к поддержанию равновесия. В результате возникает риск развития осложнений.

Использование в медицине

Данное понятие широко употребляется в медицине. В этой области его сущность почти аналогична биологическому смыслу. Этот термин в медицинской науке охватывает компенсаторные процессы и способность организма к саморегуляции.

В это понятие входят взаимоотношения и взаимодействия всех компонентов, участвующих в реализации регуляторной функции. Оно охватывает обменные процессы, дыхание, кровообращение.

Отличие медицинского термина заключается в том, что наука рассматривает гомеостаз как вспомогательный фактор лечения. При заболеваниях организменные функции нарушаются из-за повреждений органов. Это отражается на всем теле целиком. Восстановить деятельность проблемного органа удается с помощью терапии. Повышению ее эффективности способствует рассматриваемая способность. Благодаря процедурам организм сам направляет усилия на ликвидацию патологических явлений, стремясь восстановить нормальные параметры.

Это интересно! Из чего состоит нуклеотид и что это такое

При отсутствии возможностей для этого включается механизм адаптации, который проявляется в снижении нагрузок на поврежденный орган. Это позволяет снизить ущерб и не допустить активного прогрессирования болезни. Можно сказать, что такое понятие, как гомеостаз, в медицине рассматривают с практической стороны.

Википедия

Значение любого термина или характеристику любого явления чаще всего узнают из Википедии. Она рассматривает это понятие достаточно подробно, но в самом простом смысле: называет его стремлением организма к адаптации, развитию и выживанию.

Объясняется такой подход тем, что при отсутствии данного свойства живому существу будет трудно приспособиться к меняющимся условиям среды и развиваться в нужном направлении.

А при возникновении нарушений в функционировании существо просто погибнет, поскольку не сумеет вернуться в нормальное состояние.

Важно! Для того, чтобы процесс осуществлялся, необходимо чтобы все органы и системы работали слаженно. Это обеспечит сохранение всех жизненно важных параметров в нормальных пределах. Если отдельный показатель не поддается регуляции, это указывает на проблемы с реализацией данного процесса.

Примеры

Понять, что собой представляет гомеостаз в организме, помогут примеры этого явления. Одним из них является сохранение постоянной температуры тела. Некоторые изменения ей присущи, но они незначительны. Серьезное повышение температуры наблюдается лишь при наличии заболеваний. Еще одним примером называют показатели артериального давления. Существенное повышение или понижение показателей возникает при нарушениях здоровья. При этом организм стремится вернуть нормальные характеристики.

Полезное видео

Подведем итоги

Изучаемое свойство является одним из ключевых для нормального функционирования и сохранения жизни, заключается в способности восстанавливать оптимальные показатели жизненно важных параметров. Изменения в них могут возникать под влиянием внешних воздействий или патологий. Благодаря этой способности живые существа могут сопротивляться внешним факторам.

5.Понятие о внутренней среде организма. Гомеостаз.

Внутренняя среда организма (фр. milieu intérieur) (лат. — medium organismi internum) — совокупность жидкостей организма, находящихся внутри него, как правило, в определённых резервуарах (сосуды) и в естественных условиях никогда не соприкасающихся с внешней окружающей средой, обеспечивая тем самым организму гомеостаз. Термин предложил французский физиолог Клод Бернар. К внутренней среде организма относятся кровь, лимфа, тканевая и спинномозговая жидкости. Резервуаром для первых двух являются сосуды, соответственно кровеносные и лимфатические, для спинномозговой жидкости — желудочки мозга, подпаутинное пространство и спинномозговой канал. Тканевая жидкость не имеет собственного резервуара и располагается между клетками в тканях тела. Для нормальной жизнедеятельности организма необходимо относительное постоянство состава внутренней среды, ее физико-химических и биологических свойств. Это относительное постоянство состава и свойств внутренней среды организма получило название гомеостаза. Гомеостаз характеризуется рядом биологических констант. Под биологическим и константами понимают устойчивые количественные показатели, которые характеризуют нормальную жизнедеятельность организма. К биологическим константам относят активную реакцию крови, уровень сахара и питательных веществ в крови, величину осмотического и артериального давления, температуру тела и т. д. От состава и свойств внутренней среды организма зависит возбудимость органов и тканей, их чувствительность к раздражителям. Кроме того, состав внутренней среды организма влияет на питание (трофику) клеток, органов и тканей. Таким образом, внутренняя среда определяет все жизненные проявления организма, в том числе его рефлекторную деятельность.

Гомеоста́з (др.-греч. ὁμοιοστάσις от ὅμοιος — 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. 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.

Примеры гомеостаза у млекопитающих: 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 и т.д.

6.Кровь.Состав,количество,свойства,осн.Функции.

Кровь — внутренняя среда организма, образованная жидкой соединительной тканью. Состоит из плазмы и форменных элементов: клеток лейкоцитов и постклеточных структур (эритроцитов и тромбоцитов). Циркулирует по системе сосудов под действием силы ритмически сокращающегося сердца и не сообщается непосредственно с другими тканями тела ввиду наличия гистогематических барьеров. В среднем, массовая доля крови к общей массе тела человека составляет 6,5-7 %. У позвоночных кровь имеет красный цвет (от бледно- до тёмно-красного), который ей придаёт гемоглобин, содерж. в эритроцитах. У некоторых моллюсков и членистоногих кровь имеет голубой цвет за счёт наличия гемоцианина.Свойства крови зависят от белкового состава плазмы крови, и от соотношения белковых фракций (в норме альбуминов больше, чем глобулинов). Коллоидные свойства связаны с наличием белков в плазме. За счёт этого обеспечивается постоянство жидкого состава крови, так как молекулы белка обладают способностью удерживать воду. Электролитные свойства зависят от содержания в плазме крови анионов и катионов. Электролитные свойства крови определяются осмотическим давлением крови. Состав крови Состоит из двух основных компонентов: плазмы и взвешенных в ней форменных элементов. У взрослого здорового человека объём плазмы достигает 50—60 % цельной крови, а форменных элементов крови составляют около 40—50 %.

Плазма крови (от греч. πλάσμα — нечто сформированное, образованное) — жидкая часть крови, которая содержит воду и взвешенные в ней вещества — белки и другие соединения. Основными белками плазмы являются альбумины, глобулины и фибриноген. Около 85 % плазмы составляет вода. Неорганические вещества составляют около 2-3 %; это катионы (Na+, K+, Mg2+, Ca2+) и анионы (HCO3-, Cl-, PO43-, SO42-). Органические вещества (около 9 %) в составе крови подразделяются на азотсодержащие (белки, аминокислоты, мочевина, креатинин, аммиак, продукты обмена пуриновых и пиримидиновых нуклеотидов) и безазотистые (глюкоза, жирные кислоты, пируват, лактат, фосфолипиды, триацилглицеролы, холестерин). Также в плазме крови содержатся газы (кислород, углекислый газ) и биологически активные вещества (гормоны, витамины, ферменты, медиаторы). Гистологически плазма является межклеточным веществом жидкой соединительной ткани (крови). Форменные элементы У взрослого человека форменные элементы крови составляют около 40—50 %, а плазма — 50—60 %. Форменные элементы крови представлены эритроцитами, тромбоцитами и лейкоцитами: Эритроциты (красные кровяные тельца) — самые многочисленные из форменных элементов. Зрелые эритроциты не содержат ядра и имеют форму двояковогнутых дисков. Циркулируют 120 дней и разрушаются в печени и селезёнке. В эритроцитах содержится железосодержащий белок — гемоглобин. Он обеспечивает главную функцию эритроцитов — транспорт газов, в первую очередь — кислорода. Именно гемоглобин придаёт крови красную окраску. В лёгких гемоглобин связывает кислород, превращаясь в оксигемоглобин, который имеет светло-красный цвет. В тканях оксигемоглобин высвобождает кислород, снова образуя гемоглобин, и кровь темнеет. Кроме кислорода, гемоглобин в форме карбогемоглобина переносит из тканей в лёгкие углекислый газ.

Тромбоциты (кровяные пластинки) представляют собой ограниченные клеточной мембраной фрагменты цитоплазмы гигантских клеток костного мозга (мегакариоцитов). Совместно с белками плазмы крови (например, фибриногеном) они обеспечивают свёртывание крови, вытекающей из повреждённого сосуда, приводя к остановке кровотечения и тем самым защищая организм от кровопотери.

Лейкоциты (белые клетки крови) являются частью иммунной системы организма. Они способны к выходу за пределы кровяного русла в ткани. Главная функция лейкоцитов — защита от чужеродных тел и соединений. Они участвуют в иммунных реакциях, выделяя при этом Т-клетки, распознающие вирусы и всевозможные вредные вещества; В-клетки, вырабатывающие антитела, макрофаги, которые уничтожают эти вещества. В норме лейкоцитов в крови намного меньше, чем других форменных элементов.

Кровь непрерывно циркулирует в замкнутой системе кровеносных сосудов и выполняет в организме различные функции такие как : Транспортная — передвижение крови; в ней выделяют ряд подфункций: Дыхательная — перенос кислорода от лёгких к тканям и углекислого газа от тканей к лёгким; Питательная — доставляет питательные вещества к клеткам тканей; Экскреторная (выделительная) — транспорт ненужных продуктов обмена веществ к легким и почкам для их экскреции (выведения) из организма; Терморегулирующая — регулирует температуру тела. Регуляторная — связывает между собой различные органы и системы, перенося сигнальные вещества (гормоны), которые в них образуются. Защитная — обеспечение клеточной и гуморальной защиты от чужеродных агентов; Гомеостатическая — поддержание гомеостаза (постоянства внутренней среды организма) — кислотно-основного равновесия, водно-электролитного баланса и т. д. Механическая — придание тургорного напряжения органам за счет прилива к ним крови.

Определение гомеостаза по Merriam-Webster

Как работает процесс гомеостаза

Гомеостаз означает потребность организма в достижении и поддержании определенного состояния равновесия.Этот термин часто используется для обозначения тенденции тела контролировать и поддерживать внутренние состояния, такие как температура и уровни энергии, на довольно постоянных и стабильных уровнях.

Более пристальный взгляд на гомеостаз

Термин гомеостаз впервые был придуман психологом Уолтером Кэнноном в 1926 году.

Термин «гомеостаз» относится к способности организма регулировать различные физиологические процессы для поддержания постоянного и сбалансированного внутреннего состояния.

Эти процессы происходят в основном без нашего осознания.

В наших внутренних системах регулирования есть так называемая контрольная точка для множества вещей. Это очень похоже на термостат в вашем доме или систему кондиционирования в машине. После установки в определенный момент эти системы работают, чтобы поддерживать внутренние состояния на этих уровнях.

Когда температура в вашем доме упадет, ваша печь включится и нагреет вещи до заданной температуры. Точно так же, если что-то выходит из равновесия в вашем теле, будут возникать различные физиологические реакции, пока уставка не будет снова достигнута.

Гомеостаз

У вашего тела есть определенные точки для множества вещей, включая температуру, вес, сон, жажду и голод.

Одна известная теория мотивации человека, известная как теория уменьшения влечения, предполагает, что гомеостатический дисбаланс создает потребности. Эта потребность в восстановлении баланса побуждает людей выполнять действия, которые вернут тело в идеальное состояние.

Как организм регулирует температуру?

Когда вы думаете о гомеостазе, в первую очередь на ум приходит температура.Это одна из самых важных и очевидных гомеостатических систем. Все организмы, от крупных млекопитающих до крошечных бактерий, должны поддерживать идеальную температуру, чтобы выжить. Некоторые факторы, влияющие на эту способность поддерживать стабильную температуру тела, включают в себя то, как эти системы регулируются, а также общий размер организма.

Некоторые существа, известные как эндотермы или «теплокровные» животные, достигают этого посредством внутренних физиологических процессов. Птицы и млекопитающие (включая человека) — эндотермы.Другие существа — эктотермы (также известные как «хладнокровные») и полагаются на внешние источники для регулирования температуры своего тела. И рептилии, и земноводные — эктотермы.

Разговорные термины «теплокровный» и «хладнокровный» на самом деле не означают, что эти организмы имеют разную температуру крови. Эти термины просто относятся к , как эти существа поддерживают внутреннюю температуру тела.

На гомеостаз также влияет размер организма или, точнее, соотношение поверхности к объему.Более крупные существа имеют гораздо больший объем тела, что заставляет их выделять больше тепла. С другой стороны, животные меньшего размера производят меньше тепла, но также имеют более высокое отношение поверхности к объему. Они теряют больше тепла, чем производят, поэтому их внутренние системы должны работать намного тяжелее, чтобы поддерживать постоянную температуру тела.

Поведенческие и физиологические реакции

Как упоминалось ранее, гомеостаз включает в себя как физиологические, так и поведенческие реакции. С точки зрения поведения, вы можете поискать теплую одежду или участок солнечного света, если вам станет холодно. Когда вы начнете чувствовать озноб, вы также можете свернуть свое тело внутрь и держать руки прижатыми к телу, чтобы сохранить тепло.

Как эндотермы, люди также обладают рядом внутренних систем, которые помогают регулировать температуру тела. Как вы, вероятно, уже знаете, у людей заданная температура тела составляет 98,6 градусов по Фаренгейту. Когда температура вашего тела опускается ниже этой точки, это вызывает ряд физиологических реакций, помогающих восстановить равновесие. Кровеносные сосуды в конечностях тела сужаются, чтобы предотвратить потерю тепла.Дрожь также помогает телу вырабатывать больше тепла.

Тело также реагирует, когда температура поднимается выше 98,6 ° С. Вы когда-нибудь замечали, как ваша кожа покраснела, когда вам было очень тепло? Это ваше тело пытается восстановить температурный баланс. Когда вам слишком тепло, ваши кровеносные сосуды расширяются, чтобы отдавать больше тепла телу. Потоотделение — еще один распространенный способ уменьшить тепло тела, поэтому в очень жаркий день вы часто покраснетесь и потеете.

Гомеостаз — обзор | Темы ScienceDirect

3 Гомеостаз

Гомеостаз относится к общему принципу, который гарантирует стабильность естественных и искусственных систем, где стабильность понимается в ее более классическом смысле устойчивости к внешним возмущениям.Гомеостаз — фундаментальное понятие в нейропсихологии, психофизиологии и нейробиологии (тезис Кэннона). В поведенческих науках, однако, признается концепция гомеостаза, но она редко играет заметную роль в реальном анализе. Заслуживающим внимания исключением является монография МакФарланда (1971). Тем не менее, математико-статистическая теория гомеостаза, в частности теория оптимального управления системами с обратной связью (например, Goodwin and Sin 1984), показывает, что гомеостаз оказывает важное влияние на поведение системы и, следовательно, должен приниматься во внимание при статистическом моделировании и анализе систем.Моленаар (1987) применяет теорию оптимального управления к оптимизации психотерапевтического процесса.

Кратко проиллюстрированы некоторые эффекты гомеостаза при моделировании прикладных систем. Гомеостаз будет определяться как контроль с отрицательной обратной связью (McFarland, 1971). С помощью простого компьютерного моделирования показано, что наличие гомеостаза оказывает глубокое влияние на измеряемые взаимосвязи между поведением связанных систем. Хотя системы сильно связаны, очевидная взаимосвязь между их поведением приближается к нулю как прямая функция силы гомеостаза.Это имеет важное значение для прикладного анализа поведенческих систем. Рассмотрим, например, давнюю исследовательскую традицию изучения биологической основы (физиологической системы) личности (системы поведения). Предполагается, что обе системы связаны, но обе также следует рассматривать как гомеостатические. Таким образом, можно ожидать, что гомеостатическая природа связанных физиологических и поведенческих систем, исследуемых в рамках этой исследовательской традиции, даст предвзятые меры их связи (т.е., взаимные корреляции близки к нулю), тогда как реальная сила этой связи может быть значительной.

Иллюстративное имитационное исследование основано на простом примере линейной модели пространства состояний в уравнении. (2). Рассматривается только один набор из двух связанных систем, поэтому индекс и можно опустить в определяющих уравнениях. Для дальнейшего упрощения предполагается, что состояние s ( t ) наблюдается напрямую, поэтому матрица H принимается за единичную матрицу, а шум измерения v ( t ) отсутствует. .Обозначая процесс одномерного состояния системы 1 (например, поведенческой системы) как s ₁ ( t ), а процесс одномерного состояния системы 2 (например, физиологической системы) как s ₂ ( t ), получаем:

(3a) s1t + 1 = f11s1t + f12s2t + w1t + 1s2t + 1 = f21s1t + f22s2t + w2t + 1

В уравнении. (3a) f ₁₂ s ₂ ( t ) обозначает влияние физиологической системы на процесс поведенческого состояния s ₁ ( t +1), где f ₁₂ — прочность этой муфты; f ₂₁ s ₁ ( t ) обозначает обратное влияние поведенческой системы на процесс физиологического состояния s ₂ ( t +1).

Система Ур. (3а) не включает гомеостаз. Напротив, следующий аналог уравнения ( (3a) включает гомеостаз:

(3b) s1t + 1 = f11s1t + f12s2t + c1s1t + w1t + 1s2t + 1 = f21s1t + f22s2t + c2s2t + w2t + 1

In Eqn. (3b) c ₁ [ s ₁ ( t )] и c ₂ [ s ₂ ( t )] обозначают оптимальные функции обратной связи, которые зависят от количество дополнительных параметров, которые не отображаются явно.Моленаар (1987, и ссылки в нем) представляет полное описание вычисления этих оптимальных функций обратной связи.

Чтобы оценить влияние гомеостаза на явную корреляцию между с ₁ ( t ) и с ₂ ( t ), временные ряды генерируются в соответствии с уравнениями. (3а) и (3б). Это требует, чтобы числовые значения были присвоены системным параметрам в обоих уравнениях. (3а) и (3б). Например: f ₁₁ = 0. 6, f ₁₂ = 0,4, f ₂₁ = 0,4 и f ₂₂ = 0,7. Кроме того, c ₁ [ s ₁ ( t )] принимается равным нулю (только физиологическая система 2 в (3b) включает гомеостаз). Затем обнаруживается, что очевидная мгновенная взаимная корреляция между с ₁ ( t ) и с ₂ ( t ), как определено для реализации T = 100 временных точек, равна 0 .85 для уравнения. (3a) и 0,15 для уравнения. (3б). Это ясно показывает, что взаимная корреляция для уравнения. (3b), то есть когда гомеостаз присутствует в физиологической системе 2, существенно смещен в сторону нуля и не отражает силу связи между двумя системами без наличия гомеостаза.

Тот же результат (существенная недооценка действительной силы связи посредством явной взаимной корреляции между связанными системами в случае наличия гомеостаза) обнаруживается при всех других возможных сценариях (отрицательная связь между системами без гомеостаза, гомеостаз присутствует в обеих системах и т. Д.)). Этот общий результат также может быть доказан с помощью математико-статистических методов. Сделан вывод, что гомеостаз оказывает существенное смещающее влияние на очевидные меры системного взаимодействия, даже в простых линейных системах, таких как рассмотренные выше.

Что такое гомеостаз? | Биология для майоров II

Гомеостаз, в общем смысле, означает стабильность, баланс или равновесие. С физиологической точки зрения это попытка организма поддерживать постоянную и сбалансированную внутреннюю среду, которая требует постоянного наблюдения и корректировок по мере изменения условий.Регулировка физиологических систем в организме называется гомеостатической регуляцией, которая включает три части или механизма:

1. рецептор
2. центр управления
3. эффектор

Рецептор получает информацию о том, что что-то в окружающей среде меняется. Центр управления или центр интеграции получает и обрабатывает информацию от получателя. Эффектор реагирует на команды центра управления, противодействуя или усиливая стимул.Этот непрерывный процесс постоянно работает над восстановлением и поддержанием гомеостаза. Например, во время регулирования температуры тела температурные рецепторы в коже передают информацию в мозг (центр управления), который сигнализирует эффекторам: кровеносным сосудам и потовым железам на коже. Поскольку внутренняя и внешняя среда тела постоянно меняется, необходимо постоянно вносить корректировки, чтобы оставаться на уровне или около определенного значения: заданное значение .

Целью гомеостаза является поддержание равновесия вокруг определенного значения некоторого аспекта тела или его клеток, называемого заданной точкой.Хотя есть нормальные отклонения от заданной точки, системы организма обычно пытаются вернуться к этой точке. Изменение внутренней или внешней среды называется стимулом и обнаруживается рецептором; реакция системы состоит в том, чтобы отрегулировать деятельность системы так, чтобы значение вернулось к заданному значению. Например, если тело становится слишком теплым, производятся корректировки, чтобы охладить животное. Если уровень глюкозы в крови повышается после еды, вносятся корректировки, чтобы понизить его и доставить питательное вещество в ткани, которые в нем нуждаются, или сохранить его для дальнейшего использования.

Когда в окружающей среде животного происходят изменения, необходимо произвести корректировку, чтобы внутренняя среда тела и клеток оставалась стабильной. Рецептор, который воспринимает изменения в окружающей среде, является частью механизма обратной связи. Стимул — температура, уровень глюкозы или кальция — определяется рецептором. Рецептор отправляет информацию в центр управления, часто в мозг, который передает соответствующие сигналы эффекторному органу, который может вызвать соответствующее изменение, вверх или вниз, в зависимости от информации, которую посылал датчик.

Внесите свой вклад!

У вас была идея улучшить этот контент? Нам очень понравится ваш вклад.

Улучшить эту страницуПодробнее

Что такое гомеостаз? — Определение и примеры — Класс OAE [видео 2021 года]

Как достигается гомеостаз?

Итак, как наш организм регулирует все эти переменные и компенсирует изменения в окружающей среде? Что ж, оказывается, в нашем теле есть множество датчиков, которые контролируют температуру, солевой состав крови, артериальное давление, осмолярность и другие параметры.Эти детекторы сигнализируют мозгу, центру управления, когда какое-то значение отклоняется от нормы, и запускают компенсирующие изменения, которые будут пытаться восстановить это значение до нормального.

Например, представьте, что вы выходите на улицу, и там очень жарко. Это начнет изменять температуру вашего тела. Датчики температуры в нашем мозгу контролируют температуру тела, и если она начинает повышаться (уходить от предполагаемой заданной точки), это активирует эффекторную ткань или орган, которые помогают вернуть температуру к заданному значению. Например, если у вас повышается температура тела, вы начинаете потеть. Это компенсирующая реакция вашего тела на снижение температуры до нормального уровня.

Центр управления, датчики и исполнительный элемент вместе образуют так называемую систему управления . Системы управления везде; термостат, регулирующий температуру в помещении, является классическим примером системы управления. Системы управления, которые стремятся уменьшить разницу между желаемым значением переменной и наблюдаемым значением, называются системами отрицательной обратной связи или системами коррекции ошибок .

Вот второй пример: представьте, что вы выпили много воды. Эта вода попадет в вашу кровь, увеличит ее объем и тем самым повысит кровяное давление. Это активирует барорецепторов (рецепторы давления) в ваших кровеносных сосудах, которые будут сигнализировать мозгу о высвобождении гормонов, которые будут действовать на ваши почки, чтобы способствовать выведению воды с мочой. Таким образом, вы внезапно обнаружите, что чаще ходите в туалет, что уменьшит количество воды в вашей крови и, следовательно, снизит ваше кровяное давление.И вот ты где; как новенький!

Болезнь как сбой гомеостатических механизмов

Гомеостаз настолько важен, что его сбой обычно приводит к серьезным телесным повреждениям. Например, болезнь — сахарный диабет — это нарушение гомеостаза сахара в крови. Люди с диабетом, как правило, имеют очень высокий уровень сахара в крови сразу после еды, а затем очень низкий уровень между приемами пищи. В результате отсутствия гомеостаза сахара у пациентов с диабетом возникают проблемы с глазами, ногами, почками и т. Д.Людям с диабетом необходимо тщательно следить за уровнем сахара в крови и своим питанием, в то время как людям без диабета не нужно беспокоиться об этом, потому что их организм выполняет всю работу за них и поддерживает уровень сахара на постоянном уровне.

Резюме урока

Гомеостаз — ключевая концепция в понимании того, как работает наш организм. Оно означает «сохранять постоянство» и происходит от двух греческих слов: «гомео», что означает «подобный», и «стазис», что означает «стабильный». Более формальное определение гомеостаза — это характеристика системы, которая регулирует ее внутреннюю среду и стремится поддерживать стабильное, относительно постоянное состояние свойств.

Нормальное значение физиологической переменной называется ее уставкой . Центр управления, датчики и исполнительный элемент вместе образуют так называемую систему управления . Системы управления, которые стремятся уменьшить разницу между желаемым значением переменной и наблюдаемым значением, называются системами отрицательной обратной связи или системами коррекции ошибок .

Ключевые точки гомеостаза

• В нашем организме постоянно происходит гомеостаз
• Гомеостаз достигается с помощью системы управления вашим телом
• Болезнь — индикатор нарушения гомеостаза

Результаты обучения

После того, как вы закончите, вы должны уметь:

• Указать, что такое гомеостаз
• Объясните, почему гомеостаз важен для организмов
• Опишите, как достигается гомеостаз в организме

Что такое гомеостаз? — Урок для детей — Видео и стенограмма урока

Обеспечение гомеостаза

Давайте представим, что внутри вашего тела находится гладиатор: сильный гладиатор ходит вокруг и готов к битве. Если что-то изменится, он защитит вас. Если гладиатору (или системе) не удастся восстановить равновесие, вы окажетесь в опасности. В конечном итоге это может привести к разрушению вашей системы.

Система (или гладиатор) должна знать каждое изменение, происходящее внутри и вне вашего тела, и разместила множество датчиков, которые контролируют температуру, концентрацию питательных веществ, воды и минералов, состав крови, кровяное давление и другие параметры. в вашем теле.Он всегда отслеживает эти детекторы: если он получает сигнал, потому что значение отклоняется от нормального, он пытается восстановить это значение, давая вашему телу указания, что делать.

Регулирование температуры тела

Одним из наиболее важных примеров гомеостаза является регулирование температуры тела. Вот простое объяснение:

Стимул — вы бежите на детской площадке и вам очень жарко.

Рецептор — Гладиатор ходит внутри вашего тела, следит за рецепторами, которые он разместил, и видит, что один из них сработал. Тебе слишком жарко, и он должен немедленно тебе помочь.

Ответ — Гладиатор бросается давать указания, чтобы сохранить равновесие. Он приказывает мышцам расслабиться, вызывая расширение кровеносных сосудов, поэтому больше тепла переносится от сердцевины к поверхности. Он также приказывает железам выделять пот на поверхность кожи, где он может испаряться, забирая тепло от тела и охлаждая его.

Вы снова на балансе!

Регулирование жидкостей

Еще одним важным примером гомеостаза является регулирование воды и жидкости.Вот краткое объяснение:

Стимул — Вы пьете слишком много кока-колы на вечеринке по случаю дня рождения.

Рецептор — гладиатор замечает, что рецептор сработал. В мочевом пузыре слишком много жидкости, и ему нужно немедленно помочь вам. Ваше тело не может хранить столько жидкости, и ему нужно что-то делать с лишним количеством жидкости.

Ответ — Гладиатор спешит сохранить равновесие. Он направит ваши почки, мочеточники, мочевой пузырь и уретру на выработку мочи, чтобы избавиться от лишней жидкости, чтобы вы были в безопасности.

Вы снова на балансе!

Краткое содержание урока

Работа, которую ваше тело выполняет для поддержания внутреннего баланса и равновесия, называется гомеостазом . У вас есть масса датчиков, которые контролируют ваше тело. Если сигнал получен из-за отклонения некоторого значения от нормального, это значение будет восстановлено для вашей безопасности.

10.7: Гомеостаз и обратная связь — Biology LibreTexts

Твердая на ходу

Это устройство выглядит простым, но оно управляет сложной системой, которая поддерживает постоянную температуру в доме.Устройство представляет собой устаревший термостат. Циферблат показывает текущую температуру в комнате, а также позволяет жителю установить термостат на желаемую температуру. Термостат — это часто упоминаемая модель того, как живые системы, включая человеческое тело, поддерживают устойчивое состояние, называемое гомеостазом.

Что такое гомеостаз?

Гомеостаз — это состояние, при котором такая система, как человеческое тело, поддерживается в более или менее устойчивом состоянии. Работа клеток, тканей, органов и систем органов по всему телу состоит в том, чтобы поддерживать множество различных переменных в узких пределах, совместимых с жизнью. Для поддержания стабильной внутренней среды требуется постоянный мониторинг внутренней среды и постоянное внесение корректировок для поддержания баланса.

Уставка и нормальный диапазон

Для любой заданной переменной, такой как температура тела или уровень глюкозы в крови, существует конкретное заданное значение , которое является физиологическим оптимальным значением.Например, заданная температура человеческого тела составляет около 37 ºC (98,6 ºF). Поскольку организм работает над поддержанием гомеостаза температуры или любой другой внутренней переменной, значение обычно колеблется около заданного значения. Такие колебания являются нормальным явлением, если они не становятся слишком сильными. Разброс значений, в пределах которого такие колебания считаются незначительными, называется нормальным диапазоном . В случае температуры тела, например, нормальный диапазон для взрослого составляет около 36.От 5 до 37,5 ºC (от 97,7 до 99,5 ºF).

Поддержание гомеостаза

Гомеостаз в организме человека обычно поддерживается чрезвычайно сложным уравновешивающим действием. Независимо от того, поддерживается ли переменная в пределах своего нормального диапазона, для поддержания гомеостаза требуется по крайней мере четыре взаимодействующих компонента: стимул, сенсор, центр управления и эффектор.

1. Стимул обеспечивается регулируемой переменной. Как правило, стимул указывает на то, что значение переменной отклонилось от заданного значения или вышло за пределы нормального диапазона.
2. Датчик контролирует значения переменной и отправляет данные о них в центр управления.
3. Центр управления сопоставляет данные с нормальными значениями. Если значение не соответствует заданному значению или находится за пределами нормального диапазона, центр управления отправляет сигнал на исполнительный элемент.
4. Эффектор — это орган, железа, мышца или другая структура, которая воздействует на сигнал из центра управления, чтобы переместить переменную обратно к заданному значению.

Каждый из этих компонентов показан на рисунке \ (\ PageIndex {2} \). Диаграмма слева — это общая модель, показывающая, как компоненты взаимодействуют для поддержания гомеостаза. Стимул активирует сенсор. Датчик активирует систему управления, регулирующую эффектор. На диаграмме справа показан пример температуры тела. Из диаграмм вы можете видеть, что поддержание гомеостаза включает в себя обратную связь, то есть данные, которые используются для управления ответной реакцией. Высокая температура тела может стимулировать центр регулирования температуры мозга, чтобы активировать потовые железы, чтобы снизить температуру тела.Когда температура тела достигает нормального диапазона, это действует как отрицательная обратная связь, чтобы остановить процесс. Отзыв может быть как положительным, так и отрицательным. Все механизмы обратной связи, поддерживающие гомеостаз, используют отрицательную обратную связь. Биологические примеры положительной обратной связи встречаются гораздо реже.

Рисунок \ (\ PageIndex {2} \): Для поддержания гомеостаза посредством обратной связи требуется стимул, датчик, центр управления и эффектор

Отрицательная обратная связь

В контуре отрицательной обратной связи обратная связь служит для уменьшения чрезмерного отклика и удержания переменной в нормальном диапазоне.Примеры процессов, контролируемых отрицательной обратной связью, включают регулирование температуры тела и контроль уровня глюкозы в крови.

Температура тела

Регулирование температуры тела включает отрицательную обратную связь, снижает ли она температуру или повышает ее (Рисунок \ (\ PageIndex {3} \)).

Охлаждение

Центром регулирования температуры человеческого тела является гипоталамус головного мозга. Когда гипоталамус получает данные от датчиков в коже и головном мозге о том, что температура тела выше заданного значения, он приводит в действие следующие реакции:

• Кровеносные сосуды в коже расширяются (вазодилатация), позволяя большему количеству крови из теплого ядра тела течь близко к поверхности тела, поэтому тепло может излучаться в окружающую среду.
• По мере того, как приток крови к коже увеличивается, потовые железы в коже активируются, чтобы увеличить выделение пота (потоотделение). Когда пот испаряется с поверхности кожи в окружающий воздух, он уносит с собой тепло.
• Дыхание становится глубже, и человек может дышать через рот, а не через носовые проходы. Это увеличивает потерю тепла из легких.

Нагревание

Когда центр регулирования температуры мозга получает данные о том, что температура тела ниже заданного значения, он приводит в действие следующие реакции:

• Кровеносные сосуды кожи сужаются (сужение сосудов), чтобы кровь не протекала близко к поверхности тела.Это снижает потери тепла с поверхности.
• При понижении температуры скелетным мышцам подаются случайные сигналы, заставляющие их сокращаться. Это вызывает дрожь, при которой выделяется небольшое количество тепла.
• Головной мозг может стимулировать щитовидную железу (через гипофиз), чтобы вырабатывать больше гормонов щитовидной железы. Этот гормон увеличивает метаболическую активность и выработку тепла в клетках по всему телу.
• Надпочечники также могут быть стимулированы к секреции гормона адреналина.Этот гормон вызывает расщепление гликогена (углевода, используемого для хранения энергии у животных) до глюкозы, которая может использоваться в качестве источника энергии. Этот катаболический химический процесс является экзотермическим или выделяющим тепло.

Глюкоза крови

Для контроля уровня глюкозы в крови определенные эндокринные клетки поджелудочной железы, называемые альфа- и бета-клетками, определяют уровень глюкозы в крови. Затем они реагируют соответствующим образом, чтобы поддерживать уровень глюкозы в крови в пределах нормы.

• Если уровень глюкозы в крови поднимается выше нормы, бета-клетки поджелудочной железы выделяют гормон инсулин в кровоток. Инсулин дает клеткам сигнал забрать избыток глюкозы из крови до тех пор, пока уровень глюкозы в крови не снизится до нормального диапазона.
• Если уровень глюкозы в крови падает ниже нормального диапазона, альфа-клетки поджелудочной железы выделяют гормон глюкагон в кровоток. Глюкагон дает клеткам сигнал расщеплять накопленный гликоген до глюкозы и высвобождать глюкозу в кровь до тех пор, пока уровень глюкозы в крови не повысится до нормального диапазона.

Положительный отзыв

В контуре положительной обратной связи обратная связь служит для усиления ответа до тех пор, пока не будет достигнута конечная точка. Примеры процессов, контролируемых положительной обратной связью в организме человека, включают свертывание крови и роды.

Свертывание крови

Когда рана вызывает кровотечение, организм реагирует с помощью петли положительной обратной связи, чтобы свернуть кровь и остановить кровопотерю. Вещества, выделяемые поврежденной стенкой кровеносного сосуда, запускают процесс свертывания крови.Тромбоциты в крови начинают цепляться за поврежденный участок и выделять химические вещества, которые привлекают дополнительные тромбоциты. По мере того, как тромбоциты продолжают накапливаться, выделяется больше химикатов и больше тромбоцитов привлекается к месту образования сгустка. Положительная обратная связь ускоряет процесс свертывания до тех пор, пока сгусток не станет достаточно большим, чтобы остановить кровотечение.

Роды

На рисунке \ (\ PageIndex {4} \) показан цикл положительной обратной связи, контролирующий роды.Обычно этот процесс начинается, когда голова младенца прижимается к шейке матки. Это стимулирует нервные импульсы, которые проходят от шейки матки к гипоталамусу головного мозга. В ответ гипоталамус отправляет гормон окситоцин в гипофиз, который выделяет его в кровоток, чтобы он мог попасть в матку. Окситоцин стимулирует сокращения матки, которые сильнее прижимают ребенка к шейке матки. В ответ шейка матки начинает расширяться, готовясь к выходу ребенка.Этот цикл положительной обратной связи продолжается с повышением уровня окситоцина, более сильными сокращениями матки и более широким расширением шейки матки, пока ребенок не будет вытолкнут через родовые пути и выйдет из тела. В этот момент шейка матки больше не стимулируется, чтобы посылать нервные импульсы в мозг, и весь процесс останавливается.

Когда гомеостаз не работает

Гомеостатические механизмы работают непрерывно, чтобы поддерживать стабильные условия в организме человека. Однако иногда механизмы выходят из строя.Когда они это сделают, это может привести к гомеостатическому дисбалансу , при котором клетки могут не получить все, что им нужно, или токсичные отходы могут накапливаться в организме. Если гомеостаз не восстановлен, дисбаланс может привести к болезни или даже смерти. Диабет — это пример заболевания, вызванного гомеостатическим дисбалансом. В случае диабета уровень глюкозы в крови больше не регулируется и может быть опасно высоким. Медицинское вмешательство может помочь восстановить гомеостаз и, возможно, предотвратить необратимое повреждение организма.

Нормальное старение может привести к снижению эффективности систем контроля организма. Это делает организм более восприимчивым к болезням. Например, пожилым людям может быть труднее регулировать температуру тела. Это одна из причин, по которой у них чаще, чем у молодых людей, развиваются серьезные тепловые заболевания, такие как тепловой удар.

Характеристика: Мое человеческое тело

Диабет диагностируется у людей, у которых наблюдается аномально высокий уровень глюкозы в крови после голодания в течение не менее 12 часов.Уровень глюкозы в крови натощак ниже 100 — это нормально. Уровень от 100 до 125 относит вас к категории предиабета, а уровень выше 125 указывает на диагноз диабета.

Из двух типов диабета наиболее распространенным является диабет 2 типа, на который приходится около 90 процентов всех случаев диабета в Соединенных Штатах. Диабет 2 типа обычно начинается после 40 лет. Однако из-за резкого роста ожирения в последние десятилетия среди молодых людей возраст, в котором диагностируется диабет 2 типа, снизился.Даже у детей сейчас диагностируют диабет 2 типа. Сегодня около 30 миллионов американцев страдают диабетом 2 типа, а еще 90 миллионов — предиабетом.

Скорее всего, вам нужно будет проверить уровень глюкозы в крови во время обычного медицинского осмотра. Если уровень глюкозы в крови указывает на то, что у вас диабет, это может стать для вас шоком, поскольку у вас может не быть никаких симптомов заболевания. Вы не одиноки, потому что каждый четвертый диабетик не знает, что у них есть болезнь. Как только диагноз диабета утвердится, новости могут вас расстроить.Диабет может привести к сердечным приступам, инсультам, слепоте, почечной недостаточности и потере пальцев ног или стоп. Риск смерти у взрослых с диабетом на 50 процентов выше, чем у взрослых без диабета, и диабет является седьмой по значимости причиной смерти взрослых. Кроме того, контроль диабета обычно требует частого измерения уровня глюкозы в крови, наблюдения за тем, что и когда вы едите, а также приема лекарств или даже инъекций инсулина. Все это может показаться ошеломляющим.

Хорошая новость в том, что изменение образа жизни может остановить прогрессирование диабета 2 типа или даже обратить его вспять.Приняв более здоровые привычки, вы сможете поддерживать уровень глюкозы в крови в пределах нормы без лекарств или инсулина. Вот как это сделать:

• Похудеть. Любое похудение приносит пользу. Потеря всего лишь семи процентов вашего веса может быть всем, что нужно, чтобы остановить диабет на его пути. Особенно важно избавиться от лишнего веса в области талии.
• Регулярно делайте физические упражнения. Вы должны стараться заниматься спортом пять дней в неделю не менее 30 минут. Это не только снизит уровень сахара в крови, но и улучшит работу инсулина; это также снизит ваше кровяное давление и улучшит здоровье сердца.Еще одним преимуществом упражнений является то, что они помогут вам похудеть за счет увеличения скорости основного обмена.
• Примите здоровую диету. Уменьшите потребление рафинированных углеводов, таких как сладости и сладкие напитки. Увеличьте потребление продуктов, богатых клетчаткой, таких как фрукты, овощи и цельнозерновые продукты. Примерно четверть каждого приема пищи должна состоять из продуктов с высоким содержанием белка, таких как рыба, курица, молочные продукты, бобовые или орехи.
• Контроль стресса. Стресс может повысить уровень глюкозы в крови, а также повысить кровяное давление и риск сердечных заболеваний.Когда вы чувствуете стресс, делайте дыхательные упражнения, совершайте быструю прогулку или бег трусцой. Кроме того, постарайтесь заменить стрессовые мысли более успокаивающими.
• Создайте систему поддержки. Заручитесь помощью и поддержкой близких, а также медицинских работников, таких как диетолог и инструктор по диабету. Наличие системы поддержки поможет убедиться, что вы на пути к хорошему самочувствию и сможете придерживаться своего плана.

Обзор

1. Что такое гомеостаз?
2. Определите уставку и нормальный диапазон для физиологических измерений.
3. Определите и определите четыре взаимодействующих компонента, которые поддерживают гомеостаз в петлях обратной связи.
4. Сравните и сопоставьте контуры отрицательной и положительной обратной связи.
5. Объясните, как отрицательная обратная связь влияет на температуру тела.
6. Приведите два примера физиологических процессов, которые контролируются контурами положительной обратной связи.
7. Петля отрицательной обратной связи:
   1. возвращает уровень переменной в нормальный диапазон
   2. может понижать, но не повышать температуру тела
   3. — это тип обратной связи, участвующий в свертывании крови
   4. A и B
8. Во время кормления грудью ребенок начинает сосать сосок, и он увеличивает количество молока, производимого матерью.Чем больше сосет, тем обычно вырабатывается больше молока.
   1. Это пример отрицательной или положительной обратной связи? Поясните свой ответ.
   2. В чем, по вашему мнению, может быть эволюционная выгода от механизма регулирования производства молока, описанного в части а?
9. Объясните, почему гомеостаз регулируется петлями отрицательной обратной связи, а не петлями положительной обратной связи.
10. Уставка обычно:
    1. верхняя граница нормального диапазона
    2. нижняя граница нормального диапазона
    3. в середине нормального диапазона
    4. точка, в которой изменения больше не могут происходить
11. Уровень полового гормона тестостерона (Т) контролируется отрицательной обратной связью.Другой гормон, гонадотропин-рилизинг-гормон (ГнРГ), выделяется гипоталамусом головного мозга, который заставляет гипофиз выделять лютеинизирующий гормон (ЛГ). ЛГ стимулирует выработку Т. в гонадах. Когда в кровотоке слишком много Т, он возвращается к гипоталамусу, заставляя его производить меньше ГнРГ. Хотя это не описывает все петли обратной связи, участвующие в регулировании T, ответьте на следующие вопросы об этой конкретной петле обратной связи.
    1. Что является стимулом в этой системе? Поясните свой ответ.
    2. Что такое центр управления в этой системе? Поясните свой ответ.
    3. Что считается гипофизом в этой системе: стимул, сенсор, центр управления или эффектор? Поясните свой ответ.

Узнать больше

Вы можете узнать, как организм поддерживает гомеостаз в своем содержании воды, посмотрев это видео:

Посмотрите это видео о сравнении положительных и отрицательных отзывов:

Белковый гомеостаз и его роль в старении и болезнях

Белковый гомеостаз и его роль в старении и болезнях

Пьер Голубинофф: Старение является естественным и необходимым дегенеративным процессом соматических клеток, что приводит к смерти. Молодые эмбриональные, зародышевые и раковые клетки потенциально бессмертны. Это обусловлено их способностью массово вырабатывать оптимальную оборону для защиты, ремонта и замены деликатных макромолекул.

Система работы клеток

При выходе из рибосом новые полипептиды необходимо сложить должным образом, в конце концов транслоцировать, а затем собрать в устойчивые еще функционально гибкие конструкции. В течение своей жизни белки часто подвергаются воздействию стрессов, таких как тепловой шок, ультрафиолетовое излучение и окислительный стресс. Это может частично раскрыть и преобразовать их в стабильно неправильно свернутый и агрегированный вид.

Это может, в свою очередь, привести к повреждению клеток и распространиться на другие клетки, как в случае некоторых прионных болезней. В клетках животных, особенно в возрасте нейронов, ранние формы токсичных белковых агрегатов могут накапливаться и вызывать гибель клеток на своем пути, чтобы стать более компактными клубками и амилоидами, которые являются менее токсичными. У млекопитающих совокупная токсичность может привести к потере тканей с помощью различных механизмов, включая прямые повреждения мембраны, а также активные формы кислорода, которые изменяют липиды и сигнал для апоптоза.

Программируемая гибель клеток может вызвать, таким образом, раннее начало старения и дегенеративных заболеваний в целом, таких как:

• болезнь Альцгеймера,
• сахарный диабет 2 типа,
• амиотрофический боковой склероз,
• болезнь Паркинсона,

Это, в конечном счете, приведет к сокращению продолжительности жизни.

В юном возрасте и здоровой взрослой жизни белковый гомеостаз и основные клеточные механизмы эффективного управления его качеством являются:

1. Молекулярные шапероны, действующие в качестве заполнителя разворачивающихся и сворачивающихся ферментов.
2. Шапероны закрытой формы протеиназ, действующие совокупно разворачивающихся и деградирующих ферментов.
3. Агресомы, действующие в качестве совокупности механизмов уплотнения.
4. Аутофагосомы, действующие в качестве агрегатных деградирующих органелл.

По неясным причинам эти клеточные защитные функции постепенно становятся недееспособными. Белковый гомеостаз работает хуже с возрастом, что приводит к возникновению дегенеративных заболеваний, связанных с неправильным сворачиванием белка. Понимание этих механизмов защиты и причин для их недееспособности в конце взрослой жизни является ключом к разработке новых методов лечения против дегенеративных белков неправильного сворачивания, заболеваний и старения.

Замечено, что многие раковые клетки напоминают молодые клетки и бессмертны вследствие их массивной оверэкспрессии молекулярных шаперонов, Hsp70 и HSP90 в частности, что может блокировать полезный апоптоз в ответ на различные радио-, термо- и химиотерапевтические процедуры. Таким образом, ингибиторы шаперон перспективны для повышения эффективности классических методов лечения против раковых тканей, при условии, что они могут быть предотвращены от развязывания агрегации белков, дегенеративных заболеваний и старения в здоровых тканях.

Гомеостаз как механизм эволюции

Биология (Базель). 2015 сен; 4(3): 573–590.

Крис О’Каллаган, научный редактор

Поступила в редакцию 2 июля 2015 г.; Принято 8 сентября 2015 г.

Abstract

Гомеостаз обычно рассматривается просто как синхронный (одновременный) сервомеханизм, поддерживающий статус-кво физиологии организма.Однако, если смотреть с точки зрения физиологии развития, гомеостаз представляет собой надежный, динамичный, межпоколенческий, диахронический (во времени) механизм поддержания, сохранения и модификации физиологической структуры и функции. Интегральные отношения, генерируемые межклеточной передачей сигналов для механизмов эмбриогенеза, физиологии и восстановления, обеспечивают необходимое понимание безмасштабной универсальности гомеостатического принципа, предлагая новую возможность для системного подхода к биологии.Начиная с зарождения самой жизни, с появлением размножения во время мейоза и митоза, двигаясь вперед как в онтогенезе, так и филогенетически через эволюционные шаги, связанные с адаптацией к постоянно меняющейся среде, биология и теория эволюции больше не нуждаются в телеологии по умолчанию. .

Ключевые слова: эволюция, гомеостаз, развитие, филогенез, эпигенетика, диахрония, межклеточная сигнализация, эмбриогенез, безчешуйчатость, телеология

1.Введение

Любой систематический подход к биологии и медицине в идеале должен основываться на онтологических и эпистемологических первых принципах. До сих пор это оказывалось сложной задачей, учитывая наблюдательный и описательный характер биологии, которую Эрнест Резерфорд охарактеризовал как «коллекционирование марок» [1]. С клеточно-молекулярной точки зрения [2,3,4] гомеостаз представляет собой механистическую основу биологии, начиная с протоклетки [2].

Телеология исторически была полезна для понимания биологической цели, но вредна для ограничения размышлений о механистическом происхождении, потому что эволюционные черты являются перестановками и комбинациями исторических черт, предназначенных для иных целей.Это то, что Джейкоб называл «мастерством» [5], но его следует рассматривать в пределах физиологических границ. Например, были специфические генные дупликации и мутации, которые произошли во время перехода позвоночных от воды к суше [3,4] — дупликации как рецептора белка, связанного с паратиреоидным гормоном (PTHrP) [6], так и β-адренергического рецептора [7]. ] и мутация минералокортикоидного рецептора с образованием глюкокортикоидного рецептора [8]. Все три из этих мутаций были ключевыми для физиологических изменений, необходимых для адаптации к земле — скелетных, легочных, почечных, кожных и сосудистых [3,4].Переназначение этих генов было совокупным следствием прошлых условий, позволяющим осознанно проявлять будущие биологические признаки развития.

Чтобы понять исторические условия прошлого, которые привели к этим событиям, был принят новый подход к пониманию процессов, связанных с эукариотической эволюцией, основанный на одноклеточном состоянии жизненного цикла в качестве основного уровня отбора. [2,3,4]. Эта точка зрения предполагает, что клетка возникла из зачатка путем спонтанного образования мицелл [2], создающих защищенное пространство, в котором химический катализ генерирует хемиосмотическую энергию [9,10,11], способствуя снижению энтропии, поддерживаемому и сохраняемому гомеостатическим механизмов [12].Эта точка зрения предполагает диахронический или сквозной процесс механистического соединения прошлого, настоящего и будущего организма [13], а не традиционный синхронный, квазистатический взгляд на гомеостаз как на простое поддержание статус-кво [14]. . Принципиальная причина того, что эта точка зрения не была выдвинута ранее, заключается в широко распространенном, всепроникающем принятии телеологического мышления в биологии [15]. Я хотел бы предложить каузальный и предсказательный способ мышления о биологии, который устранил бы необходимость в такой телеологии и догме.

2. Гомеостаз — это что угодно, только не статика

Традиционно биологи описывали флору и фауну, разделяя их на части, чтобы определить их структуру и функции [16]. Однако нечто вроде революции произошло во второй половине 20-го века, когда было обнаружено, что изолированные эпителиальные клетки теряли свой дифференцированный фенотип при размножении в клеточной культуре [17]. Наоборот, обеспечение этих эпителиальных клеток их инвестирующими фибробластами восстанавливало их структуру и функцию, объясняя, например, почему интактная эмбриональная ткань продолжала развиваться по своей нормальной траектории в культуре [18].Эти наблюдения впервые объединили механизмы клеточного развития и гомеостаза. Более того, фетальные истоки болезней взрослых, или гипотеза Баркера, в сочетании с эпигенетическим наследованием причинно интегрировали гомеостаз между поколениями. Эти ключевые наблюдения привели к механистическому пониманию эволюции, основанному на передаче сигналов между клетками [2,3,4].

В других работах [2,3,4] высказывалось предположение, что весь механизм эволюции следует рассматривать одновременно как онтогенетическую и филогенетическую историю организма.Нигде дихотомия между традиционной описательной биологией и механистически-динамической эволюцией не проявляется так явно, как в том, что мы думаем о гомеостазе только как о статике, подобно бытовому термостату. Гомеостаз постоянно колеблется вокруг заданного значения, наблюдая за клеточной средой, всегда готов перезагрузить себя, но также и обеспечить точку отсчета для изменений, если это необходимо для выживания в постоянно меняющейся среде. В то время как точка зрения о том, что гомеостаз является статическим, основана на современной описательной биологии, динамическая точка зрения лучше всего видна в области физиологии развития, особенно когда он укорочен у недоношенных детей [19,20,21] или наоборот, как у хронических детей. заболевания [22].Ибо именно факторы роста сигнализируют о механизмах развития, регенерации и восстановления, которые лежат в основе всех этих процессов, обеспечивая способ увидеть континуум, посредством которого структура и функция изменяются в течение эволюционного хода онтогенеза и филогенеза и достигают равновесия для поддержания [23]. ], поддерживать [24] и увековечивать [25] физиологическую стабильность.

В более ранней статье [26] обсуждался механистически основанный континуум от онтогенеза и филогенеза до гомеостаза и регенерации, основанный на лежащих в основе межклеточных взаимодействиях, которые определяют биогенез легочного сурфактанта на службе гомеостаза — в отсутствие сурфактанта альвеолы ​​схлопываются из-за эффект поверхностного натяжения.Слияние онтогенеза и филогенеза в один непрерывный механизм гомеостаза легких оказывается уникальным пониманием фундаментального механизма эволюции — того, как гомеостаз может действовать одновременно и как стабилизирующий агент, и как определяющий механизм эволюционных изменений. Роберт Г.Б. Рейд в своей книге «Эволюционная теория — незавершенный синтез» [27] указал на парадоксальную связь между гомеостазом и эволюцией, хотя и не смог привлечь необходимое измерение развития.Биологи совершают систематическую ошибку, описывая различные фазы жизненного цикла, не принимая во внимание механистические взаимосвязи между ними, которые логически должны существовать, но они были разрознены и объединены различными субдисциплинами биологии. Именно эта раздробленность описательной биологии препятствует нашему пониманию того, что на самом деле представляет собой эволюция.

3. Историческая концепция гомеостаза от Бернара до Кэннона

Гомеостаз определяется как свойство системы, в которой переменные регулируются таким образом, что внутренние условия остаются стабильными и относительно постоянными.Примеры гомеостаза включают регулирование температуры тела и баланс между кислотностью и щелочностью. Это процесс, поддерживающий стабильность внутренней среды организма в ответ на колебания условий внешней среды.

Клод Бернар впервые описал процессы физиологического контроля как milieu interieur в своей книге. Введение в изучение экспериментальной медицины [28]. Позднее термин «гомеостаз» был введен Уолтером Брэдфордом Кэнноном в его книге «Организация физиологического гомеостаза» [29].Waddington [30] предпочитал более динамичный термин «гомеорез». Хотя термин гомеостаз первоначально использовался для обозначения процессов внутри живых организмов, он часто применяется к автономным системам управления, начиная от круиз-контроля и заканчивая небесными телами. Для гомеостаза требуется датчик для обнаружения изменений в регулируемом состоянии, эффекторный механизм, который может изменять это состояние, и отрицательная обратная связь между ними.

Каждый живой организм зависит от поддержания сложного набора взаимодействующих метаболических химических реакций.От простейших одноклеточных организмов до самых сложных растений и животных внутренние процессы работают, чтобы удерживать их условия в строго регулируемых и контролируемых пределах, позволяющих протекать этим реакциям. Гомеостатические процессы действуют на уровне клетки, ткани и органа, а также на уровне организма в целом и называются аллостазом [31,32].

Все механизмы гомеостатического контроля имеют как минимум три взаимозависимых компонента для регулируемой переменной: Рецептор — это сенсорный компонент, который отслеживает и реагирует на изменения в окружающей среде.Когда рецептор воспринимает стимул, он передает информацию ядру, которое устанавливает диапазон, в котором поддерживается переменная. Ядро определяет соответствующий ответ на раздражитель. Затем ядро ​​посылает сигналы эффектору, которым могут быть другие клетки, ткани, органы или другие структуры, получающие сигналы для гомеостаза. После получения сигнала происходит изменение для исправления отклонения путем его подавления или демпфирования с использованием отрицательной обратной связи [33].

4. Отрицательная обратная связь

Механизмы отрицательной обратной связи состоят в снижении производительности или усиления любого органа или системы до их нормального диапазона функций [34].Хорошим примером является регуляция артериального давления. Кровеносные сосуды могут ощущать сопротивление кровотоку при повышении артериального давления. Кровеносные сосуды действуют как рецепторы, передающие сообщение в мозг. Затем мозг посылает сообщение сердцу и кровеносным сосудам, которые являются эффекторами. Частота сердечных сокращений снижается по мере увеличения диаметра кровеносных сосудов (вазодилатация). Это изменение приводит к тому, что артериальное давление возвращается к нормальному диапазону. Обратное происходит, когда артериальное давление снижается, вызывая сужение сосудов.

Другой важный пример наблюдается, когда тело лишено пищи. В ответ организм сбрасывает метаболическую установку на более низкое значение. Это позволяет организму продолжать функционировать с более низкой скоростью метаболизма, даже если организм голодает. Таким образом, людям, которые лишают себя пищи, пытаясь похудеть, сначала легко сбросить вес, но потом сбросить больше гораздо труднее. Это происходит из-за того, что организм автоматически приспосабливается к более низкой метаболической установке, чтобы позволить ему выжить с более низким запасом энергии.Упражнения могут изменить этот эффект, увеличив метаболические потребности.

Еще одним хорошим примером механизма отрицательной обратной связи является контроль температуры тела. Гипоталамус, следящий за температурой тела, способен определять даже малейшие колебания температуры тела. Реакцией на такое изменение может быть стимуляция желез, вырабатывающих пот, для снижения температуры или подача сигнала различным мышцам о дрожи для повышения температуры тела.

5. Гомеостатический дисбаланс

Многие заболевания связаны с нарушением гомеостаза.Например, с возрастом организма эффективность управления системами снижается из-за потери рецепторов. Неэффективность постепенно приводит к нестабильности внутренней среды, что увеличивает риск заболеваний и приводит к физическим изменениям, связанным со старением [2].

Определенные гомеостатические дисбалансы, такие как высокая внутренняя температура тела, высокая концентрация соли в крови или низкая концентрация кислорода, могут вызывать гомеостатические реакции, такие как жар, жажда или одышка, которые мотивируют поведение, направленное на восстановление гомеостаза [35].

6. Диахроническая перспектива телеги и лошади

«Недостаточно видеть лошадь, тянущую телегу мимо окна, как хорошую рабочую лошадь; картина должна также включать крошечную оплодотворенную яйцеклетку, эмбрион в утробе матери и сломленную старую клячу, которой он в конечном итоге станет». Конрад Хэл Уоддингтон [30].

В теории эволюции существует фундаментальная эпистемологическая (телега и лошадь) проблема — взгляд на жизненный цикл. Как предлагает Уоддингтон в приведенной выше цитате, необходимо рассматривать весь процесс жизни как континуум, чтобы понять лежащие в его основе эволюционные принципы.В первой опубликованной статье о клеточном подходе к эволюции позвоночных [26] как эволюция легких, так и физиология были сведены к ее клеточному, механистическому уровню, что позволило рассматривать онтогенез и филогенез в пространстве и времени как один непрерывный процесс, т.е. Срок истории этого органа, по сути, один и тот же. Оглядываясь назад, это был важный прорыв, потому что он продемонстрировал ошибочность взгляда на онтогенез и филогенез как на независимые друг от друга, как это могло бы быть, если смотреть на них с точки зрения их нынешних форм.Но если посмотреть на этот процесс с точки зрения его клеточно-молекулярной механистической основы, можно увидеть его в продольном направлении как непрерывный процесс адаптации, в основном к атмосферному кислороду, приспосабливающийся к метаболическим потребностям эволюции позвоночных.

Этот концептуальный прорыв совсем недавно привел к пересмотру биогенетического закона Геккеля, согласно которому онтогенез воспроизводит филогенез в новом свете. Возможно, Геккель преувеличил в своем стремлении определить основу эволюции, но, сделав вывод о том, что два процесса имеют общие свойства, он пролил важную информацию о механизме эволюции, поставив вопрос о том, что лежит в основе онтогенеза и филогенеза.Каким бы ни было это свойство, оно позволяло позвоночным приспосабливаться к изменяющейся кислородной среде на протяжении тысячелетий, каким-то образом опосредованное процессами эмбриогенеза. Наиболее логичным механизмом, выходящим за пределы столь разнообразных масштабов адаптации, является гомеостаз. И повторение филогенеза может ограничивать эволюционные изменения, которые внутренне согласуются с гомеостатическим контролем на ключевых стадиях эмбриологического развития.

Это, в свою очередь, поднимает вопрос о том, в поддержку чего развился гомеостаз? Было высказано предположение [2], что пониженная энтропия является движущей силой эволюции, свойством жизни, которое требует поддержания и сохранения гомеостатического контроля.Сведение эволюции к гомеостазу предлагает фундаментальное механистическое понимание происхождения и причинной природы этого процесса. Это уже не случайные мутации и естественный отбор, а адаптация внутренней среды организма к внешней среде физического мира на службе гомеостаза. В конечном счете, Отбор способствует гомеостатически детерминированному изменению в результате взаимодействия между организмом и окружающей средой.

В своей тысячелетней статье об эволюции под названием «Молекулярный витализм» [36] Киршнер, Герхарт и Митчелсон процитировали классическую работу Герхарда Фанкхаузера о влиянии размера клетки на развитие тритона [37].Полиплоидные эмбрионы имели меньшее количество клеток, но более крупные, что не влияло на размер ткани или тела. Например, размер почечного протока не изменился из-за уменьшения количества окружающих его эпителиальных клеток. Это открытие смутило даже великого Эйнштейна [38], побудив его заявить, что «похоже, что значение клетки как управляющего элемента целого ранее переоценивалось. Что является реальным определяющим фактором формы и организации, кажется неясным». Затем Фанкхаузер задался вопросом, что является реальным определяющим фактором формы и организации.Тем не менее, если предположить, что гомеостаз является лежащим в основе давлением отбора для обмена растворенных веществ на площади поверхности почечного протока, отсутствие общих структурных изменений теперь имеет смысл.

Короче говоря, мы слишком долго ставили фенотипически-генотипическую «телегу» впереди гомеостатической «лошади», позволяя нашим мыслительным процессам отвлекаться на описательную, нисходящую, апостериорную биологию. Мы должны начать думать об эволюции в рамках клеточно-молекулярного подхода, если мы хотим добиться прогресса в биологии и медицине, иначе мы будем чахнуть, как алхимики, пока химия, периодическая таблица и квантовая теория наконец не выведут нас на путь предсказательной физики.

7. Гомеостатическая регуляция как нисходящая причинность

Нисходящая причинность описывает причинно-следственную связь между более высокими уровнями системы и компонентами более низкого уровня этой системы. Например, ментальные события, приводящие к физическим событиям. Термин был введен в 1974 году философом и социологом Дональдом Т. Кэмпбеллом [39].

В статье «Теория биологической относительности: нет привилегированного уровня причинности» [40] автор приводит доводы в пользу нисходящей причинности ().Из этого подхода он заключает, что в биологических системах не существует привилегированного уровня отбора. Это классический пример систематической ошибки, которую мы совершаем, думая о формах жизни, достигающих кульминации в своем взрослом состоянии, в отличие от образов «телеги и лошади» Уоддингтона, которые побуждают нас думать не только о нынешних обстоятельствах, но и о континууме жизни, включая следующее поколение (оплодотворенная яйцеклетка в утробе матери) [30]. В результате, например, Ноубл [40] заключает, что телеологически не существует привилегированного уровня причинности в биологических системах.Однако он есть, но его можно увидеть, только прокручивая ленту вперед от одноклеточного состояния к одноклеточному состоянию на протяжении всего жизненного цикла организма. Теперь мы знаем, что эпигенетические «метки», приобретенные в течение жизни организма, не все элиминируются во время мейоза, как считалось ранее [41,42,43], и что эти метки являются наследственными и биологически активными [44]. Наша лаборатория изучала влияние воздействия никотина на мать на трансгенерационное наследование фенотипа астмы [45].Никотин вызывает специфические эпигенетические изменения как в верхних дыхательных путях легких, так и в гонадах потомства, по крайней мере, в трех поколениях. Это первое экспериментальное свидетельство истинного эпигенетического трансгенерационного наследования. Эти результаты заставляют задуматься об уровне отбора, потому что недавно приобретенные эпигенетические мутации влияют только на потомство, а не на взрослых особей.

Нисходящая причинность. Телеологически в биологических системах нет привилегированного уровня причинности.

Перспектива нисходящей причинности требует переоценки склонности к «вертикальному» подходу к многоуровневому обобщению теории Дарвина [46], который может быть направлен сверху вниз или снизу вверх, в то время как я выступал за «средний подход». -out’ межклеточный сигнальный подход [2,3,4].Вертикальная перспектива кажется более соответствующей традиционному дарвиновскому «происхождению с модификацией» и естественному отбору, в то время как промежуточный подход к пространственно-временному онтогенезу и филогенезу больше согласуется с воздействием сил окружающей среды, таких как Солнце (вверху) и гравитация (ниже). Рассматриваемая как векторный продукт этих сил (), эволюция будет продвигаться горизонтально от поколения к поколению, постоянно получая информацию из окружающей среды в процессе.

Эволюция как межклеточная передача сигналов.Экологический «стресс» влияет на механизмы межклеточной коммуникации, которые определяют гомеостатический контроль, что приводит к генетическим «мутациям», которые эволюционно изменяют структуру и функции.

Возможно, причина, по которой мы проходим жизненный цикл от зиготы к зиготе, заключается в получении эпигенетически-наследуемой информации из окружающей среды и выборочной интеграции ее в наш геном. Механизмы «фильтрации» — это механизмы онтогенеза и филогенеза, обеспечивающие как краткосрочную, так и долгосрочную «историю» организма как средство мониторинга гомеостатической значимости приобретенных мутаций.Гомеостаз является неотъемлемой частью морфогенеза, поскольку механизмы передачи сигналов фактора роста эмбриогенеза становятся гомеостатическими механизмами у потомства [47]. Как таковые, они также могут различать адаптивные и неадаптивные генетические мутации, влияющие на гомеостаз, либо косвенно через процесс развития, либо напрямую через регулирующие механизмы физиологии.

8. Диахронические механизмы передачи сигналов фактора роста являются общими для развития, гомеостаза и регенерации

Эмбриональный рост и развитие определяются паракринной передачей сигналов фактора роста-рецептора, формируя пространственно-временные паттерны, которые обеспечивают форму и функцию тканей и органов [ 48].Легкие являются наиболее широко охарактеризованным органом из-за его критической важности для выживания человека во время рождения.

Чтобы создать эффективную диффундирующую поверхность для газообмена, энтодерма легких растет и дифференцируется, образуя проводящие дыхательные пути и альвеолы, связанные с дополнительной сосудистой системой. Ключевые гены, участвующие в развитии легких, высоко консервативны в филогенезе, по крайней мере, еще в плавательном пузыре физостомных рыб [49].Передача сигналов с помощью путей инсулиноподобного фактора роста, эпидермального фактора роста и трансформирующего фактора роста β/костного морфогенетического белка, а также компонентов внеклеточного матрикса и интегринов также управляет морфогенезом легких. Растворимые факторы роста, секретируемые мезодермой легких, являются полными индукторами морфогенеза легких [48], впервые наблюдаемыми Clifford Grobstein [50].

9. Гомеостаз как фактор изменений во время перехода позвоночных от воды к суше — появления

Хорошо известно, что во время перехода позвоночных от воды к суше происходило дублирование определенных генов.У рыб белковый рецептор, связанный с паратиреоидным гормоном (PTHrPR) [6], β-адренергический рецептор (βAR) [7] и глюкокортикоидный рецептор (GCR) [8] опосредуют физиологические функции для адаптации к воде. Около 250–500 миллионов лет назад увеличение количества углекислого газа в атмосфере [51] вызвало «парниковый эффект», вызывающий повышение температуры окружающей среды, высыхание океанов, озер и рек [52]. Экзистенциальный переход позвоночных от воды к суше был обусловлен дублированием этих генов (PTHrPR, βAR, GR), которые были переназначены для функций дыхания [53], скелета [54], почек [55] и кожи [56].Амплификация этих специфических генов была не просто случайностью, как нас уверяют в литературе [57]; они были необходимы либо для адаптации к земле, либо для вымирания [58,59]. Почему они дублируются, можно ответить, если подумать о них в физиологическом контексте их функций при легочном дыхании, нейроэндокринном стрессе и метаболизме. То, как произошли эти генетические изменения, является спекулятивным, но они могли бы произойти в результате напряжения сдвига микрососудов, вызывающего ремоделирование этих специфических тканей и органов, как показано ниже.

10. Гомеостаз как следствие механизмов развития

При чтении литературы по эволюционной биологии периодически всплывают наблюдения о преадаптациях или экзаптациях. Возможно, это искусственное следствие взгляда на процесс эволюции с точки зрения его целей, а не его средств. Априори, если проследить преадаптацию до ее логического продолжения, она закончилась бы одноклеточным состоянием, которое является источником многоклеточных животных, используя онтогенетические и филогенетические принципы.Однако, двигаясь в прямом направлении, размышляя об эволюционных адаптациях в контексте постоянно меняющейся среды, причинно-следственные связи становятся ясными, как это было ранее показано для эволюции легких [10] — путем регрессии генов, которые определили структуру и функцию легких в онтогенезе и филогенезе на фоне основных эпох окружающей среды — солености океана, высыхания океанов, колебаний атмосферного кислорода — выраженных в декартовых координатах (), можно увидеть адаптивные механизмы внутреннего отбора из-за к физическим силам, опосредованным физиологическим стрессом, начиная с появления пероксисом как уравновешивающего отбора для кальциевого дисгомеостаза [60].Оптимальным образцом, или шифром, для таких эволюционных изменений в висцеральной физиологии позвоночных является легкое из-за мощного положительного давления отбора на его эволюцию при переходе вода-суша — альтернативы не было, оно либо приспосабливалось к воздушному дыханию, либо погибало.

Давление внешнего и внутреннего отбора генов филогенеза и онтогенеза легких. Влияние внешних факторов (соленость, питательные вещества на суше и кислород на оси абсцисс) на гены, определяющие филогенез и онтогенез легких млекопитающих, последовательно чередуются с внутренними генетическими факторами (ось у), выделенными квадратами и круги соответственно.Шаги 1–11 появляются в той последовательности, в которой они появляются в течение филогенеза и онтогенеза: (1) АМП; (2) РДР; (3) коллаген IV типа; 4 – ГР; (5) 11β ГСД; (6) βАР; (7) АДРП; (8) лептин; (9) рецептор лептина; (10) ПТГрП; и (11) СП-Б. Шаги 12–14 представляют собой основные геологические эпохи, которые «двигали» внутреннюю эволюцию легких.

Урок, извлеченный из этого события, становится еще более очевидным, если подумать о конкретных последствиях трех дупликаций генов, которые произошли во время этого перехода (см. ) — GR (шаг 4), βAR (шаг 6) и Рецептор ПТГрП (ПТГрП) (шаг 10) мог продублироваться в первую очередь потому, что ПТГрП способствует ремоделированию кости, поскольку известно, что скелет позвоночных эволюционировал не менее пяти раз на основании летописи окаменелостей [61], что дает широкие возможности для совместной эволюции висцерального органы, необходимые для приспособления к земле.Но передача сигналов PTHrP также важна для дыхания воздухом и для кожи как барьера [56], оба из которых также были необходимы для наземной адаптации. Экспериментально, если вы удаляете ген PTHrP у развивающейся мыши, это вызывает нарушения развития в легких (отсутствие альвеол), костей (неспособность к кальцификации) и кожи (незрелый барьер) [56], что соответствует всем вышеупомянутым фенотипам.

Литература заставляет нас думать, что эти дупликации генов произошли исключительно случайно [57], но эти генетические мутации не рассматриваются в их экологическом и биологическом контексте.Физиологические нагрузки, вызванные переходом с водного на наземно-воздушное дыхание, усилением силы тяжести, потерей воды и электролитов, были огромны. Сосудистый сдвиг был бы наибольшим в тех специфических микрососудистых руслах, от которых зависел этот переход — легкие, кости, почки, генерирующие радикальные формы кислорода, которые, как известно, вызывают генные мутации и дупликации в процессе [62]. Со временем такие мутации сформировали бы структуры и функции для адаптации и, во вторую очередь, повлияли бы на положительный отбор соответствующих молекулярных признаков, иначе организм вымер бы — то, что дарвинистские эволюционисты метафорически называют «выживанием наиболее приспособленных», хотя теперь с конкретные, причинно-проверяемые гипотезы.

Генетическое ремоделирование альвеолярного ложа для регулируемой растяжением передачи сигналов ПТГрП имело бы двойное физиологическое адаптационное преимущество (), первоначально путем стимуляции продукции альвеолярного сурфактанта [63], снимая неизбежный эпизодический стресс альвеолярной недостаточности, приводящий к гипоксии в процессе эволюция. За этим должен был последовать ПТГрП, действующий как для создания большего количества альвеол [63], так и в качестве мощного сосудорасширяющего средства [64], компенсирующего сопутствующее увеличение альвеолярного микрососудистого кровотока.

Физиологическая адаптация. Онтогенетическая и филогенетическая интеграция ( ∫ ) кальциево-липидного гомеостаза, от включения липидов в одноклеточные организмы в плазматическую лемму до многоклеточных кальциево-липидных эпистатических гомеостазов, способствовала эволюции многоклеточных животных. На этом рисунке основное внимание уделяется специфическому стрессу перехода вода-суша на эволюцию самых разных органов — костей, легких, кожи, почек, надпочечников — в результате дупликации гена рецептора ПТГрП у рыб, за которым следует β-адренергический Ген рецептора (βAR), завершающийся интегрированной физиологией или аллостазом (крайний справа).Внутренний отбор был опосредован давлением отбора на гомеостатические механизмы, опосредованные паракринными межклеточными взаимодействиями; поскольку позвоночные адаптировались к земле, сигнальный механизм PTHrP итеративно позволял физиологическую адаптацию к дыханию воздухом (кожа, легкие), предотвращению высыхания (кожа, почки) и «бей или беги» (надпочечники). Синие стрелки в крайнем левом углу показывают, как развившиеся признаки восходят к своим предшественникам или экзапируются.

Еще одна дупликация гена, которая произошла во время перехода позвоночных от воды к суше, была связана с бета-адренорецептором (βAR), который в конечном итоге обеспечил локальную легочную регуляцию альвеолярно-капиллярного кровяного давления, что было необходимо из-за ограничений системного кровяного давления, наложенного на альвеолярно-капиллярная система [65].Этот новый физиологический признак мог развиться в результате коэволюции передачи сигналов ПТГрП в передней доле гипофиза [66] и в коре надпочечников [67], увеличивая продукцию АКТГ и глюкокортикоидов, соответственно, при адаптации к наземному физиологическому стрессу. Результирующая повышенная реакция на физиологический стресс со стороны гипофизарно-надпочечниковой оси (PAA) должна была бы привести к усилению продукции адреналина, поскольку кортикоиды, вырабатываемые в коре надпочечников, проходят через мозговое вещество надпочечников, где они физиологически стимулируют лимитирующую скорость стадию выработки адреналина, катехол. -О-Метилтрансфераза, или СОМТ [68].Более того, повышенный ПТГрП, протекающий через мозговое вещество, может на самом деле способствовать образованию большего количества сосудистых аркад в мозговом веществе надпочечников млекопитающих [69], поскольку ПТГрП является ангиогенным [70]. Наземная адаптация, опосредованная ПАА, могла быть вызвана эпизодической легочной недостаточностью, которая неизбежно возникала бы во время пошаговых морфогенетических процессов эволюции легких при адаптации к земле, вызывая периодические периоды гипоксии, наиболее мощного физиологического агониста стресса. реакция.

Кроме того, эта адаптация к гипоксии должна была быть усилена сопутствующими колебаниями атмосферного кислорода в течение последних 500 миллионов лет [51], в диапазоне от 15% до 35% в течение фанерозойского периода. Возникающая в результате избыточная экспрессия адреналина могла бы временно облегчить ограничение альвеолярных стенок за счет увеличения секреции сурфактанта [71], снижения альвеолярного поверхностного натяжения в сочетании с кратковременным увеличением кровотока из-за мощного сосудорасширяющего эффекта ПТГрП [64].Следует подчеркнуть, что все эти предадаптированные физиологические черты были задействованы для оптимизации дыхания воздухом и, в конечном счете, были отобраны под действием согласованного действия внутреннего отбора и естественного отбора.

В конечном счете, хорошо известное филогенетическое увеличение плотности альвеолярных капилляров βAR, гипотетически из-за стресс-стимулированного эффекта глюкокортикоидов на экспрессию βAR, уменьшило ограничение в системе кровообращения, позволив независимо регулировать легочное и системное кровяное давление [65], приспосабливаясь к постоянно растущей эволюционной метаболической потребности в увеличении площади поверхности легких для облегчения газообмена на основе этого аллостатического механизма [20,31,32].

Интересно, что глюкокортикоидный рецептор также развился из минералокортикоидного рецептора в течение того же временного промежутка из-за двух генных мутаций [8]. Эволюция передачи сигналов глюкокортикоидов из механизма передачи сигналов минералокортикоидов могла бы облегчить дезадаптационное повышение кровяного давления, вызванное усилением гравитационных эффектов наземного проживания, которое также сдерживало эволюцию площади поверхности легких, как указано выше, — «двойной удар». гипотеза; сопутствующий положительный отбор глюкокортикоидов в качестве агонистов экспрессии βAR [68] должен был бы синергизироваться с эволюцией регуляции локального альвеолярного кровяного давления в целях повышения оксигенации.

В подтверждение значимости βARs для адаптации к суше, нарушение передачи сигналов βAR во время эмбрионального развития мыши ингибирует нормальное развитие сердца [72]. Это не должно вызывать удивления, так как расширяющаяся площадь поверхности легкого развивалась в тандеме с сердцем, от однокамерного сердца кольчатых червей к двухкамерному сердцу рыбы, к трехкамерному сердцу лягушки, к четырехкамерному сердцу. камерное сердце млекопитающих [73]. Скоординированная эволюция легких и сердца за счет дупликаций генов PTHrPR и βAR посредством взаимодополняющих взаимодействий, описанных выше, должна была облегчить обитание на суше и дальнейшую эволюционную адаптацию в ответ на тандемное увеличение как газообмена, так и регуляции кровяного давления в условиях физиологического стресса.

Более того, эта синергетическая связь между передачей сигналов PTHrP и передачей сигналов βAR, возможно, способствовала образованию клубочков в филогенетическом переходе почечных клубочков от примитивной капиллярной системы, или клубочков почек рыб [74], к клубочкам амфибий, почки рептилий, млекопитающих и птиц. Такое ремоделирование завершается гомеостатической регуляцией ПТГрП мезангиума, контролирующего клубочковую фильтрацию [55], и βАР, регулирующих диурез при стрессе [75].

11. ПТГрП и гипоталамо-гипофизарно-надпочечниковая регуляция физиологического стресса

Обширные экспериментальные данные, полученные в нашей лаборатории, показали центральную роль ПТГрП в нормальном развитии легких [3], начиная с нокаута ПТГрП у эмбрионов мышей, вызывающего нарушение развития легких из-за неспособности формировать альвеолы ​​[53]. В различных моделях инсульта при заболеваниях легких — оксотравме, баротравме, инфекции — мы зафиксировали снижение экспрессии ПТГрП во всех этих случаях [76].Более того, у детей раннего возраста, у которых развивается бронхолегочная дисплазия, наблюдается дефицит ПТГрП на основании измерения молекулы в бронхоальвеолярном лаваже [77].

12. Роль экспрессии ПТГрП в синтезе кортикоидов надпочечниками

Совсем недавно было обнаружено, что ПТГрП экспрессируется в гипофизе [66], где он стимулирует АКТГ, и в коре надпочечников [67], где он опосредует АКТГ стимулирует синтез кортикоидов. Как следствие, этот путь усилил бы физиологическую реакцию на стресс за счет увеличения продукции адреналина мозговым веществом надпочечников [78].Этот механизм мог развиться во время перехода от воды к суше, когда легкие периодически не могли генерировать достаточное количество кислорода, вызывая гипоксию. Гипоксия является наиболее мощным из известных физиологических агонистов; стимулируя выработку адреналина, который стимулирует секрецию сурфактанта, он мог временно облегчить ателектатический стресс в легких [71].

Такой механизм может относиться к кайнозойской эре , когда наш общий грызуноподобный предок должен был быть проворным, чтобы не быть раздавленным или съеденным хищниками.Со временем коллективный стресс микроциркуляторного русла легких, гипофиза и коры надпочечников мог «перестроить» все эти структуры, включая мозговое вещество надпочечников. Последний, как известно, развил сложную сосудистую аркаду у млекопитающих [69], действующую как «эхо-камера» для усиления выработки адреналина в ответ на стресс, как исходный, так и регулируемый.

13. Гомеостатическая регуляция диахронична

Ключ к пониманию взаимосвязи между гомеостазом и эмбриогенезом лежит в признании диахронической природы общего механизма эволюции (см. ).В процессе эмбриогенеза передача сигналов фактора роста определяет структуру и функцию потомства. Впоследствии гомеостатическая установка подвергается сомнению в течение постнатальной жизни, явно поддерживаясь многими из тех же сигнальных принципов, которые используются для эмбриогенеза. Если пределы гомеостаза оспариваются, сигнальные механизмы фактора роста могут вернуться к своей исходной форме, чтобы поддерживать организм, иногда вызывая фиброз как структурный режим по умолчанию, который дает организму способность воспроизводиться в субоптимальных физиологических условиях.В экстремальных условиях, таких как массовые вымирания [79] или переход от воды к суше [52], физиологический стресс вызывает прагматическое ремоделирование органов с целью адаптации [2,3,4]. Те представители вида, которые лучше всего подходят для реализации такой адаптивной стратегии, передают такие гомеостатически адаптивные гены своему потомству, создавая в процессе наследуемый фенотип. Следовательно, взаимосвязь между гомеостазом и фенотипическими изменениями является континуумом, опосредованным сигнальными свойствами фактора роста, которые механистически являются общими для обоих.

Эта тесная связь между физиологическим стрессом окружающей среды, гомеостазом и ремоделированием восходит к зарождению жизни, когда протоклетки формируются из мицелл, создавая внутреннюю среду ( milieu interieur ), используя как клеточную мембрану, так и эндомембранные системы для разделения физиологические свойства; результирующее порождение негэнтропии, поддерживаемое хемиосмосом [3], составляет основу жизненного принципа. Способность повторять этот процесс от одного поколения к другому, приобретая новые «знания» посредством воспроизводства и эпигенетики, позволяет системе увековечивать себя на неопределенный срок или вымирать.

14. Аллостаз как интегрированный гомеостаз

Концепция аллостаза является еще одним примером того, как наша кажущаяся неспособность увидеть гомеостаз в его самой полной форме, диахронически, как механизм, лежащий в основе всей биологии, отвлекает нас от наблюдения за континуумом биологических процессов. процессы. McEwen и Wingfield [31] определяют аллостаз как процесс, который поддерживает гомеостаз, «установочные точки» и другие границы контроля, которые должны измениться, физиологические и/или жизненные этапы, которые должны измениться для достижения стабильности.Аллостаз проясняет присущую термину «гомеостаз» двусмысленность и проводит различие между системами, которые необходимы для жизни («гомеостаз»), и теми, которые поддерживают эти системы в равновесии («аллостаз») по мере изменения среды и этапов жизненного цикла.

Такое восприятие сверхгомеостатической системы контроля, независимой от гомеостаза, является следствием того, что в очередной раз не удалось признать главенство клетки в посредничестве эволюционного принципа. Если в действительности жизнь представляет собой континуум, исходящий из одноклеточного состояния, то гомеостаз функционирует на всех уровнях биологии как фрактал, не зависящий от масштаба [4].Таким образом, свойства аллостаза представляют собой выражение более высокого уровня тех же гомеостатических принципов, выраженных на клеточном, тканевом и органном уровнях. Примеры, использованные McEwen и Wingfield [31,32] — кровяное давление, метаболизм, pH, сложные модели миграции птиц — все они получены из гомеостатической регуляции одноклеточного состояния, развившегося для поддержки многоклеточных организмов. Перелетные птицы использовались Эрнстом Майром [80] для иллюстрации различия между непосредственной и конечной причинностью в эволюционной биологии, которая вбила клин между теми, кто интересуется структурно-функциональными отношениями (приблизительно) и самим процессом эволюции (окончательно), создавая объемы. описательных данных, подрывая любую попытку понять, как и почему произошла эволюция, исходя из принципов клеточной биологии [4].

В других работах [2,3,4] продолжительность жизни организма как непрерывный ряд лиганд-рецепторных взаимодействий от морфогенеза до поддержания физиологического гомеостаза, до потери механизмов гомеостатического контроля при старении, завершающейся смертью. сформулировано. В этом свете аллостаз приобретает совершенно другой набор характеристик: стресс имеет краткосрочные последствия, которые физиологически полезны для репродуктивной стратегии; но в долгосрочной перспективе такие адаптивные реакции могут иметь пагубные последствия, которые возникают как непреднамеренные последствия оптимизации задействованных первичных гомеостатических механизмов.Иными словами, ускорение развития вызовет преждевременное старение и смерть как непрерывный механизм выбора одноклеточного состояния. Традиционно сосредотачиваясь на патологических аспектах аллостатической нагрузки, мы получаем искаженное представление о ее функции. Например, нам еще предстоит понять роль преждевременного адренархе — продукции андрогенов корой надпочечников в начале полового созревания. Мы знаем, что это связано с задержкой внутриутробного развития (ЗВУР) [81] и избыточной массой тела у детей [82], особенно в связи с экспериментальным изменением метаболизма в утробе матери [83].Тем не менее, с клеточной механистической точки зрения, преждевременное половое созревание из-за низкого изобилия пищи во время развития внутриутробно является адаптивным, ускоряя половое созревание потомства, предоставляя следующему поколению возможность жить в среде с большим изобилием пищи. Это согласуется с тем фактом, что ЗВУР связан с преждевременным адренархе, который, как известно, вызывает раннее половое созревание [81]. Так что это диаметрально противоположные взгляды на значение гомеостаза в жизненной истории организма.

Кроме того, McEwen и Wingfield [31,32] характеризуют аллостаз как «защиту против повреждений», опять же, видя непосредственные последствия метаболического контроля для физиологии, когда истинная цель — приобретение недавно приобретенных эпигенетических мутаций — на самом деле носит межпоколенческий характер, обеспечивая весьма различную интерпретацию наблюдаемого явления. Как цитировалось выше, Уоддингтон [30] намекнул, что мы должны рассматривать организм как его прошлое и будущее, а не только таким, каким он выглядит в своем нынешнем состоянии, чтобы понять эпигенетическое наследование.Здесь снова интерпретация защиты vs . повреждение в контексте адаптивного и неадаптивного с этой точки зрения сильно отличается — даже то, что кажется повреждением, на самом деле является следствием адаптивной реакции с точки зрения оптимизированного воспроизводства.

15. Выводы

Наше незнание фундаментальных Первых принципов физиологии ввело нас в заблуждение. И наоборот, сосредоточив внимание на одноклеточном состоянии как на первичном уровне отбора, мы получаем представление о таких онтологических и эпистемологических принципах, как жизненный цикл, эмбриогенез, история жизни и гомеостаз.Такое глубокое понимание имеет решающее значение для эффективного использования геномной информации.

И Дюгем [84], и W.O.V. Куайн [85] указал на ограниченность науки как на «недостаточную детерминированность». Куайн сказал, что знание — это «рукотворная ткань, которая затрагивает опыт только по краям», а затем продолжает, что «конфликт с опытом на периферии вызывает перестройки внутри поля». Если бы мы знали, что на самом деле представляет собой наш физиологический «опыт», возможно, мы смогли бы избежать ловушек такой научной субъективности.

Благодарности

Я хотел бы поблагодарить за помощь в подготовке этой статьи следующих лиц: Уильяма Б. Миллера-младшего, Нила Блэкстоуна, Криса Кузаву, Хуаниту Джеллиман. Грант НИЗ R01HL055268.

Конфликт интересов

Автор заявляет об отсутствии конфликта интересов.

Ссылки

-2. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 18.Тордей Дж.С., Рехан В.К. Повышающая регуляция регуляторной сети генов белка, связанного с паратиреоидным гормоном легких крысы, подавляет регуляторную сеть генов Sonic Hedgehog/Wnt/бетакатенин. Педиатр. Рез. 2006; 60: 382–388. doi: 10.1203/01.pdr.0000238326.42590.03. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 19. Глисон К.А., Деваскар С. Эйвери Болезни новорожденных. Сондерс; Филадельфия, Пенсильвания, США: 2011. [Google Scholar]20. Тордей Дж.С., Рехан В.К., Хикс Дж.В., Ван Т., Майна Дж., Вейбель Э.Р., Ся К.К., Соммер Р.Дж., Перри С.Ф. Деконволюция эволюции легких: от фенотипов к регуляторным сетям генов. интегр. Комп. биол. 2007; 47: 601–609. doi: 10.1093/icb/icm069. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]21. Сахни Р., Полин Р.А. Физиологические основы клинических проблем у умеренно недоношенных и поздних недоношенных детей. клин. перинатол. 2013;40:645–663. doi: 10.1016/j.clp.2013.07.012. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 22. Чилоси М., Полетти В., Замо А., Лестани М., Монтанья Л., Пикколи П., Педрон С., Бертасо М., Скарпа А., Мурер Б. и др. Активация аберрантного пути Wnt/β-катенина при идиопатическом легочном фиброзе. Являюсь. Дж. Патол. 2003; 162:1495–1502. doi: 10.1016/S0002-9440(10)64282-4. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 23. Мариеб Э.Н., Хён К. Анатомия и физиология человека. Пирсон Бенджамин Каммингс; Сан-Франциско, Калифорния, США: 2007. [Google Scholar]24. Беснард В., Верт С.Э., Сталман М.Т., Постл А.Д., Сюй Ю., Икегами М., Уитсетт Дж.А. Делеция Scap в клетках альвеолярного типа II влияет на гомеостаз липидов в легких и указывает на компенсаторную роль легочных липофибробластов.J. Biol. хим. 2009; 284:4018–4030. doi: 10.1074/jbc.M805388200. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]25. Тордей Дж.С., Пауэлл Ф.Л., Фармер К.Г., Оргейг С., Нильсен Х.К., Холл А.Дж. Лептин интегрирует эволюцию позвоночных: от кислорода до гематогазового барьера. Дыхание Физиол. Нейробиол. 2010;173:S37–S42. doi: 10.1016/j.resp.2010.01.007. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]26. Тордей Дж.С., Рехан В.К. Деконволюция эволюции легких с использованием функциональной/сравнительной геномики.Являюсь. J. Respir. Ячейка Мол. биол. 2004; 31:8–12. doi: 10.1165/rcmb.2004-0019TR. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 27. Рид Р.Г.Б. Эволюционная биология: незаконченный синтез. Издательство Корнельского университета; Итака, штат Нью-Йорк, США: 1985. [Google Scholar]28. Бернар К. Введение в L’étude de la Médecine Expérimental. Фламмарион; Париж, Франция: 1865 г. [Google Scholar]29. Кэннон В.Б. Организация физиологического гомеостаза. Физиол. 1929; 9: 399–431. [Google Академия] 30. Уоддингтон Ч.Х. Стратегия генов.Джордж Аллен и Анвин; Лондон, Великобритания: 1957. [Google Scholar]31. McEwen B.S., Wingfield J.C. Концепция аллостаза в биологии и биомедицине. Горм. Поведение 2003;43:2–15. doi: 10.1016/S0018-506X(02)00024-7. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 32. McEwen B.S., Wingfield J.C. Что такое имя? Интеграция гомеостаза, аллостаза и стресса. Горм. Поведение 2010;57:105–111. doi: 10.1016/j.yhbeh.2009.09.011. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]36. Киршнер М., Герхарт Дж., Митчисон Т.Молекулярный «витализм» Клетка. 2000; 100:79–88. doi: 10.1016/S0092-8674(00)81685-2. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 37. Фанкхаузер Г. Поддержание нормальной структуры у гетероплоидных личинок саламандры за счет компенсации изменений размера клеток за счет корректировки количества и формы клеток. Дж. Эксп. Зоол. 1945; 100: 445–455. doi: 10.1002/jez.1401000310. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 38. Фанкхаузер Г. Воспоминания о великих эмбриологах. Являюсь. науч. 1972; 40: 46–55. [PubMed] [Google Scholar] 39. Кэмпбелл Д.Т. Исследования по философии биологии: редукция и смежные проблемы. Макмиллан; Лондон, Великобритания: 1974. [Google Scholar]41. Рехан В.К., Лю Дж., Наим Э., Тиан Дж., Сакураи Р., Квонг К., Акбари О., Тордей Дж.С. Перинатальное воздействие никотина вызывает астму у потомства во втором поколении. БМС Мед. 2012 г.: 10.1186/1741-7015-10-129. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 42. Waterland R.A., Jirtle R.L. Раннее питание, эпигенетические изменения в транспозонах и импринтированных генах, а также повышенная восприимчивость к хроническим заболеваниям у взрослых.Питание. 2004; 20: 63–68. doi: 10.1016/j.nut.2003.09.011. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]43. Джениш Р., Бёрд А. Эпигенетическая регуляция экспрессии генов: как геном интегрирует внутренние сигналы и сигналы окружающей среды. Нац. Жене. 2003; 33: 245–254. doi: 10.1038/ng1089. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 44. Кропли Дж.Э., Сутер С.М., Бекман К.Б., Мартин Д.И. Эпигенетическая модификация зародышевой линии мышиного аллеля Avy с помощью пищевых добавок. проц. Натл. Акад. науч. США. 2006; 103:17308–17312.doi: 10.1073/pnas.06070

33.3A: Гомеостатический процесс — Биология LibreTexts

1. Последнее обновление

2. Сохранить как PDF

1. Ключевые моменты
2. Ключевые термины
3. Гомеостатический процесс
4. Гомеостаз
5. Цель гомеостаза

Гомеостатические процессы обеспечивают постоянство внутренней среды с помощью различных механизмов, работающих в сочетании для поддержания заданных значений.

Цели обучения

• Приведите пример и опишите гомеостатический процесс.

Ключевые моменты

• Гомеостаз — это попытка организма поддерживать постоянную и сбалансированную внутреннюю среду, которая требует постоянного контроля и корректировки по мере изменения условий.
• Гомеостатическая регуляция контролируется и регулируется рецептором, командным центром и эффектором.
• Рецептор получает информацию на основе внутренней среды; командный центр, получает и обрабатывает информацию; и эффектор реагирует на командный центр, противодействуя или усиливая стимул.

Основные термины

• гомеостаз : способность системы или живого организма регулировать внутреннюю среду для поддержания стабильного равновесия
• эффектор : любая мышца, орган и т. д., которые могут реагировать на раздражение от нерва

Гомеостатический процесс

Человеческий организм состоит из триллионов клеток, работающих вместе для поддержания всего организма. Хотя клетки могут выполнять очень разные функции, клетки очень похожи по своим метаболическим потребностям.Поддержание постоянной внутренней среды со всем, что необходимо клеткам для выживания (кислород, глюкоза, ионы минералов, удаление отходов и т. д.), необходимо для благополучия отдельных клеток и благополучия всего организма. Различные процессы, с помощью которых организм регулирует свою внутреннюю среду, в совокупности называются гомеостазом.

Гомеостаз

Гомеостаз в общем смысле относится к стабильности, равновесию или равновесию. Физиологически это попытка организма поддерживать постоянную и сбалансированную внутреннюю среду, что требует постоянного контроля и корректировки по мере изменения условий.Регулировка физиологических систем в организме называется гомеостатической регуляцией, которая включает три части или механизма: (1) рецептор, (2) центр управления и (3) эффектор.

Рецептор получает информацию о том, что что-то в окружающей среде меняется. Центр управления или центр интеграции получает и обрабатывает информацию от приемника. Эффектор отвечает на команды центра управления либо противодействием, либо усилением стимула. Этот непрерывный процесс постоянно работает для восстановления и поддержания гомеостаза.Например, при регуляции температуры тела температурные рецепторы в коже передают информацию в мозг (центр управления), который сигнализирует эффекторам: кровеносным сосудам и потовым железам в коже. Поскольку внутренняя и внешняя среда тела постоянно меняется, необходимо постоянно вносить коррективы, чтобы оставаться на определенном уровне или близком к нему: уставке.

Цель гомеостаза

Конечной целью гомеостаза является поддержание равновесия вокруг заданного значения.Несмотря на нормальные отклонения от заданного значения, системы организма обычно пытаются вернуться к нему. Изменение внутренней или внешней среды (раздражитель) улавливается рецептором; реакция системы заключается в корректировке параметра отклонения в сторону заданного значения. Например, если тело становится слишком теплым, вносятся коррективы, чтобы охладить животное. Если уровень глюкозы в крови повышается после еды, вносятся коррективы для снижения уровня глюкозы в крови путем перемещения питательного вещества в ткани в командном центре, которые в нем нуждаются, или для его сохранения для последующего использования.

1.3A: Гомеостатический контроль — Медицина LibreTexts

Гомеостаз поддерживается реакцией организма на неблагоприятные раздражители, обеспечивая поддержание оптимальной физиологической среды.

Цели обучения

• Моделирование процесса обратной связи гомеостаза

Ключевые моменты

• Механизмы гомеостатического контроля имеют как минимум три взаимозависимых компонента: рецептор, интегрирующий центр и эффектор.
• Рецептор воспринимает внешние раздражители, посылая информацию в интегрирующий центр.
• Интегрирующий центр, обычно область мозга, называемая гипоталамусом, подает сигнал эффектору (например, мышцам или органу) реагировать на стимулы.
• Положительная обратная связь усиливает или ускоряет результат, создаваемый активированным стимулом. Агрегация и накопление тромбоцитов в ответ на повреждение является примером положительной обратной связи.
• Отрицательная обратная связь возвращает систему на уровень нормального функционирования.Регулировка кровяного давления, обмена веществ и температуры тела — все это негативная обратная связь.

Основные термины

• гомеостаз : Способность системы или живого организма приспосабливаться к своей внутренней среде для поддержания стабильного равновесия, например, способность теплокровных животных поддерживать постоянную температуру тела.
• отрицательная обратная связь : Цикл обратной связи, в котором выход системы снижает активность, вызывающую этот вывод.
• положительная обратная связь : Цикл обратной связи, в котором выход системы увеличивается за счет собственного влияния механизма на систему, создающую этот выход.

ПРИМЕРЫ

Когда человеку не хватает еды, организм приспосабливается, замедляя метаболизм, чтобы он или она тратили меньше калорий. Эта адаптация сохраняет ограниченную энергию, доступную из-за неадекватного питания.

Концепция гомеостаза

Гомеостаз регулирует внутреннюю среду организма и поддерживает стабильное, постоянное состояние таких свойств, как температура и рН.На гомеостаз могут влиять как внутренние, так и внешние условия, и он поддерживается множеством различных механизмов. Все механизмы гомеостатического контроля имеют как минимум три взаимозависимых компонента для регулируемой переменной:

• Датчик или рецептор обнаруживает изменения во внутренней или внешней среде. Примером могут служить периферические хеморецепторы, которые обнаруживают изменения рН крови.
• Интегрирующий центр или центр управления получает информацию от датчиков и инициирует реакцию для поддержания гомеостаза.Наиболее важным примером является гипоталамус, область мозга, которая контролирует все, от температуры тела до частоты сердечных сокращений, артериального давления, сытости (сытости) и циркадных ритмов (циклов сна и бодрствования).
• Эффектор — это любой орган или ткань, получающая информацию от интеграционного центра и действующая, чтобы вызывать изменения, необходимые для поддержания гомеостаза. Одним из примеров является почка, которая удерживает воду, если кровяное давление слишком низкое.

Сенсоры, интегрирующий центр и эффекторы являются основными компонентами любой гомеостатической реакции.Положительная и отрицательная обратная связь — это более сложные механизмы, которые позволяют этим трем основным компонентам поддерживать гомеостаз для более сложных физиологических процессов.

Положительный отзыв

Положительная обратная связь — это механизм, в котором выходной сигнал усиливается для поддержания гомеостаза. Механизмы положительной обратной связи предназначены для ускорения или усиления результатов, создаваемых уже активированным стимулом. Механизмы положительной обратной связи предназначены для того, чтобы выталкивать уровни за пределы нормальных диапазонов.Чтобы достичь этого, серия событий инициирует каскадный процесс, который усиливает эффект стимула. Этот процесс может быть полезным, но используется редко, поскольку может стать неконтролируемым. Примером положительной обратной связи является накопление и агрегация тромбоцитов, что, в свою очередь, вызывает свертывание крови в ответ на повреждение кровеносных сосудов.

Отрицательный отзыв

Механизмы отрицательной обратной связи снижают производительность или активность, чтобы вернуть орган или систему к нормальному диапазону функционирования.Регуляция кровяного давления является примером отрицательной обратной связи. В кровеносных сосудах есть датчики, называемые барорецепторами, которые определяют, слишком высокое или слишком низкое артериальное давление, и посылают сигнал в гипоталамус. Затем гипоталамус посылает сообщение сердцу, кровеносным сосудам и почкам, которые действуют как эффекторы в регуляции артериального давления. Если артериальное давление слишком высокое, частота сердечных сокращений уменьшается по мере увеличения диаметра кровеносных сосудов (вазодилатация), а почки удерживают меньше воды. Эти изменения заставят кровяное давление вернуться к своему нормальному диапазону.Процесс меняется, когда артериальное давление снижается, в результате чего кровеносные сосуды сужаются, а почки увеличивают задержку воды.

Петля отрицательной обратной связи : Гипоталамус секретирует кортикотропин-рилизинг-гормон (CRH), который направляет переднюю долю гипофиза на секрецию адренокортикотропного гормона (АКТГ). В свою очередь, АКТГ направляет кору надпочечников на секрецию глюкокортикоидов, таких как кортизол. Глюкокортикоиды не только выполняют свои функции во всем организме, но и предотвращают дальнейшую стимуляцию секреции как гипоталамуса, так и гипофиза

Контроль температуры — еще один механизм отрицательной обратной связи.Нервные клетки передают информацию о температуре тела в гипоталамус. Затем гипоталамус дает сигнал нескольким эффекторам вернуть температуру тела к 37 градусам Цельсия (заданная точка). Эффекторы могут сигнализировать потовым железам о необходимости охладить кожу и стимулировать расширение сосудов, чтобы тело могло выделять больше тепла.

Если температура тела ниже заданного значения, мышцы дрожат, выделяя тепло, а сужение кровеносных сосудов помогает телу удерживать тепло. Этот пример очень сложен, потому что гипоталамус может изменять заданную температуру тела, например, повышая ее во время лихорадки, чтобы помочь бороться с инфекцией.Как внутренние, так и внешние события могут вызывать механизмы отрицательной обратной связи.

Гомеостатический контроль : На этом изображении показаны механизмы обратной связи гомеостатического контроля.

Гомеостаз — обзор | ScienceDirect Topics

3 Гомеостаз

Гомеостаз относится к общему принципу, обеспечивающему стабильность естественных и искусственных систем, где стабильность понимается в более классическом смысле устойчивости к внешним возмущениям.Гомеостаз является фундаментальной концепцией в нейропсихологии, психофизиологии и неврологии (тезис Кэннона). Однако в науках о поведении концепция гомеостаза признается, но она редко играет заметную роль в реальном анализе. Примечательным исключением является монография МакФарланда (1971). Тем не менее, математико-статистическая теория гомеостаза, в частности теория оптимального управления системами с обратной связью (например, Гудвин и Син, 1984), показывает, что гомеостаз оказывает важное влияние на поведение системы и, следовательно, должен учитываться при статистическом моделировании и анализе систем.Molenaar (1987) предлагает применение теории оптимального контроля для оптимизации психотерапевтического процесса.

Приведена краткая иллюстрация некоторых эффектов гомеостаза при моделировании прикладных систем. Гомеостаз будет определяться как контроль с отрицательной обратной связью (McFarland 1971). С помощью простого компьютерного моделирования показано, что наличие гомеостаза оказывает сильное влияние на измеряемые взаимосвязи между поведением связанных систем. Хотя системы сильно связаны, явные взаимосвязи между их поведением приближаются к нулю как прямая функция силы гомеостаза.Это имеет важные последствия для прикладного анализа поведенческих систем. Рассмотрим, например, давнюю исследовательскую традицию изучения биологической основы (физиологическая система) личности (поведенческая система). Предполагается, что обе системы связаны, но обе они также должны рассматриваться как гомеостатические. Следовательно, можно ожидать, что гомеостатическая природа сопряженных физиологических и поведенческих систем, изучаемых в рамках этой исследовательской традиции, приведет к смещенным измерениям их сопряженности (т.т. е. близкие к нулю интеркорреляции), тогда как реальная сила этой связи может быть значительной.

Иллюстративное исследование моделирования основано на простом примере линейной модели пространства состояний в уравнении. (2). Рассматривается только один набор из двух связанных систем, поэтому индекс i можно опустить в определяющих уравнениях. Для дальнейшего упрощения предполагается, что состояние s ( t ) наблюдается непосредственно, поэтому матрица H принимается за единичную матрицу, а шум измерения v ( t ) отсутствует. .Обозначая одномерный процесс состояния системы 1 (например, поведенческой системы) через s ₁ ( t ) и одномерный процесс состояния системы 2 (например, физиологической системы) через s ₂ ( t ), это дает:

(3a)s1t+1=f11s1t+f12s2t+w1t+1s2t+1=f21s1t+f22s2t+w2t+1