Czym jest homeostaza?

Homeostaza jest procesem o charakterze fizjologicznym, który utrzymuje wewnętrzne środowisko żywego organizmu w stanie stabilnym i zrównoważonym.

Utrzymywanie stałej równowagi stworzonej przez homeostazę jest niezbędne dla przetrwania każdego gatunku. Nawet gdy warunki zewnętrzne gwałtownie się zmieniają, homeostaza utrzymuje środowisko wewnętrzne organizmu na stabilnym i zrównoważonym poziomie.

Celem niniejszego artykułu jest zdefiniowanie znaczenia homeostazy, opisanie pochodzenia tej koncepcji, wyjaśnienie, w jaki sposób procesy fizjologiczne działają za pośrednictwem pętli ujemnego sprzężenia zwrotnego, a także wyjaśnienie, dlaczego utrzymanie stałego środowiska wewnętrznego jest niezbędne dla wszystkich żywych organizmów.

Znaczenie

Homeostaza to termin wywodzący się od greckich słów ,,homeo" (podobny do) i ,,stasis" (stojący w miejscu). W latach dwudziestych XX wieku amerykański fizjolog Walter B. Cannon wprowadził słowo ,,homeostaza”. Cannon opisał homeostazę jako ,,skoordynowane procesy fizjologiczne", które utrzymują ,,stany równowagi" w żywym organizmie. Wyjaśnił, że słowo to nie oznacza czegoś ustalonego na stałe, ale zamiast tego opisuje zautomatyzowany, samoregulujący się proces, który podlega zmianom, ale jest ,,względnie stały".

Koncepcję homeostazy Cannona można odnieść do koncepcji środowiska wewnętrznego organizmu (fr. milieu intérieur) opracowanej przez francuskiego fizjologa Claude'a Bernarda w latach sześćdziesiątych XIX wieku.

,,Homeostaza" i ,,środowisko wewnętrzne" to podobne terminy, które podkreślają znaczenie posiadania przez żywe organizmy wewnętrznych mechanizmów, które mogą utrzymać wewnętrzną równowagę i "względnie stałą" równowagę. Nawet jeśli środowisko zewnętrzne szybko się zmienia, homeostaza umożliwia organizmowi utrzymanie stałego środowiska wewnętrznego poprzez dynamiczne reakcje przywracające stan równowagi.

Temperatura ciała jako przykład homeostazy

Zdolność organizmu do utrzymywania stałej temperatury wewnętrznej na poziomie 98,6 stopni F (37 stopni C) jest doskonałym przykładem homeostazy. Gdy środowisko zewnętrzne jest zbyt gorące, ciało poci się, aby się schłodzić i utrzymać stałą temperaturę wewnętrzną. Gdy na zewnątrz jest zimno, ciało drży, aby utrzymać ciepło.

Jak to funkcjonuje?

Homeostaza zazwyczaj wykorzystuje pętle ujemnego sprzężenia zwrotnego. W ramach tych pętli negatywne bodźce automatycznie uaktywniają mechanizmy wspomagające proces dynamicznej równowagi homeostazy. "Dynamiczna równowaga" opisuje proces i reakcje, które zachodzą, gdy organizm dostosowuje się w ramach odpowiedzi na ujemne sprzężenie zwrotne ostrzegające o braku równowagi.

Ostatecznym celem homeostazy jest umożliwienie organizmowi utrzymania stałego i względnie zrównoważonego środowiska wewnętrznego, gdy tylko jest to możliwe. Na przykład przebywanie w upale aktywuje mechanizmy chłodzące, takie jak pot, które utrzymują temperaturę ciała na poziomie około 98,6 stopni F.

Gdy ktoś znajduje się w zimnym otoczeniu, negatywny bodziec aktywuje mechanizmy homeostatyczne mające na celu zatrzymanie ciepła ciała, takie jak dreszcze, w ramach dążenia do utrzymania odpowiedniej temperatury ciała.

Ludzkie ciało ma niezwykłą zdolność do utrzymywania wewnętrznej równowagi w odpowiedzi na niekorzystne czynniki zewnętrzne i różnego rodzaju negatywne bodźce wewnętrzne lub zewnętrzne.

Przykłady homeostazy

Istnieje kilka rodzajów regulacji homeostatycznej, które utrzymują homeostazę w prawidłowo funkcjonującym organizmie:

Homeostaza temperatury ciała (termoregulacja): Zapewnia stabilną temperaturę ciała na poziomie około 98,6 stopni F i niweluje ryzyko związane z wychłodzeniem lub hipotermią (niską temperaturą ciała).

Homeostaza wody i elektrolitów (osmoregulacja): Utrzymuje stabilny poziom płynów i równowagi elektrolitowej w organizmie poprzez filtrowanie i usuwanie nadmiaru płynów przez nerki (elektrolity to minerały, które przenoszą cząsteczki rozpuszczone w wodzie, np. w krwiobiegu, płynach ustrojowych i komórkach, w tym sód, potas, wapń, fosfor, chlor i magnez).

Homeostaza tlenu (O₂): Utrzymuje poziom tlenu w granicach normy i pomaga organizmowi uniknąć niskiego poziomu tlenu (niedotlenienia).

Homeostaza cukru we krwi (regulacja trzustkowa): Utrzymuje poziom cukru (glukozy) we krwi na stabilnym i prawidłowym poziomie od 70 do 120 miligramów na decylitr (mg/dl) za pośrednictwem trzustki.

Homeostaza ciśnienia krwi (regulacja baroreceptorów): Wysyła sygnały homeostatyczne z podwzgórza do serca, naczyń krwionośnych i nerek, które utrzymują ciśnienie krwi na prawidłowym poziomie, który nie jest zbyt wysoki (nadciśnienie) ani zbyt niski (niedociśnienie).

Homeostaza wapnia: Utrzymuje homeostazę wapnia w surowicy poprzez syntezę i uwalnianie parathormonu (PTH) z przytarczyc.

Homeostaza potasu: Utrzymuje poziom potasu w prawidłowym przedziale od 3,6 do 5,2 miliekwiwalentów na litr (mEq/L) i zapobiega zbyt dużej (hiperkaliemia) lub zbyt małej (hipokaliemia) ilości potasu we krwi.

Znaczenie

Nie sposób pominąć ogromnego znaczenia homeostazy. Przetrwanie każdej żywej istoty zależy od procesów homeostatycznych. Gdy homeostaza nie funkcjonuje prawidłowo, brak równowagi wewnętrznej może prowadzić do choroby, a nawet śmierci.1 Na przykład, gdy organizm nie jest w stanie utrzymać homeostazy cukru we krwi z powodu niskiej produkcji insuliny lub niewłaściwej reakcji na insulinę, powstaje cukrzyca. Niezdolność do utrzymania homeostazy potasu może wpływać na rytm serca i aktywność układu nerwowego, co może prowadzić do śmierci.

George E. Billman, amerykański fizjolog, opisuje homeostazę jako " kluczową zasadę porządkującą, na której zbudowana jest dyscyplina fizjologii ".

Podsumowanie

Już wieki temu Claude Bernard podkreślił znaczenie zdolności organizmów żywych do utrzymywania stabilnego środowiska wewnętrznego, które nazwał ,,milieu intérieur”, co oznacza stałe środowisko wewnętrzne. Na początku XX wieku Walter B. Cannon oparł się na koncepcji ,,milieu intérieur” Bernarda i stworzył termin "homeostaza", który łączy greckie słowa "homeo" (podobny do) i "stasis" (stojący w miejscu).

Mechanizmy homeostatyczne są aktywowane przez ujemne sprzężenie zwrotne lub wszelkie bodźce, które zaburzają wewnętrzną równowagę organizmu. Istnieje siedem rodzajów homeostazy, które utrzymują stabilne i zrównoważone środowisko wewnętrzne niezależnie od zewnętrznych zmian warunków środowiskowych.

Każda żywa istota uzależniona jest od homeostazy w celu przetrwania w perspektywie krótko i długoterminowej. Homeostaza umożliwia organizmom samoregulację w odpowiedzi na zmiany zachodzące w ich środowisku. Nawet coś tak prostego jak pocenie się w upalny dzień jest kluczem do utrzymania tej równowagi i zachowania zdrowia.

Źródła

Journal of Medical Physiology and Therapeutics. Role of homeostasis in human physiology: a review.

Davies KJA. Adaptive homeostasis. Molecular Aspects of Medicine. 2016;49:1-7. doi:10.1016/j.mam.2016.04.007

Cannon WB. The Wisdom of the Body. W.W. Norton & Company Inc; New York: 1932.

Hoenig MP, Zeidel ML. Homeostasis, the milieu intérieur, and the wisdom of the nephron. CJASN. 2014;9(7):1272-1281. doi:10.2215/CJN.08860813

Prabhakar NR, Semenza GL. Oxygen sensing and homeostasis. Physiology. 2015;30(5):340-348. doi:10.1152/physiol.00022.2015

Röder PV, Wu B, Liu Y, Han W. Pancreatic regulation of glucose homeostasis. Exp Mol Med. 2016;48(3):e219-e219. doi:10.1038/emm.2016.6

Armstrong M, Kerndt CC, Moore RA. Physiology, baroreceptors. In: StatPearls [Internet]. Treasure Island (FL): StatPearls Publishing.

Yu E, Sharma S. Physiology, calcium. In: StatPearls [Internet]. Treasure Island (FL): StatPearls Publishing.

Simon LV, Farrell MW. Hyperkalemia. In: StatPearls [Internet]. Treasure Island (FL): StatPearls Publishing.

Centers for Disease Control and Prevention. What is diabetes?

Udensi UK, Tchounwou PB. Potassium homeostasis, oxidative stress, and human disease. Int J Clin Exp Physiol. 2017;4(3):111–122. doi:10.4103/ijcep.ijcep_43_17

Billman GE. Homeostasis: the underappreciated and far too often ignored central organizing principle of physiology. Front Physiol. 2020;11:200. doi:10.3389/fphys.2020.00200