Definice

Zpětnovazební mechanismus je fyziologický regulační systém, který buď vrací tělo do normálního vnitřního stavu (homeostázy), nebo, méně často, vnitřní systém od homeostázy vzdaluje. Existují dva mechanismy – negativní a pozitivní. Působí prostřednictvím nervových drah nebo chemických látek, například hormonů, a vyvolávají stimulační nebo inhibiční účinek. Mechanismy zpětné vazby se vyskytují také v ekosystémech.

Co je mechanismus zpětné vazby?

V biologii je mechanismus zpětné vazby fyziologická smyčka, která přivádí organismus buď k normálnímu, ustálenému stavu, nebo od něj. Mechanismus zpětné vazby, označovaný také jako zpětnovazební smyčka, buď zesiluje určitou biologickou dráhu, nebo ji brzdí. Tyto dráhy nejčastěji vracejí tělo do homeostázy. Homeostatický stav označuje stabilní stav vnitřního prostředí organismů.

Jak pozitivní, tak negativní zpětnovazební systémy vyžadují k úpravě specifických fyziologických drah tři složky:

• Receptor: (nebo senzor) přijímá informace a posílá je do řídicího centra.
• Řídicí centrum: (
• Efektor: provádí stimulační nebo inhibiční účinek podle pokynů řídicího centra.

Signály mohou být vysílány prostřednictvím nervových drah (akční potenciály a neurotransmitery) nebo prostřednictvím chemických signálů (nejčastěji hormony).

Když hovoříme o fyziologii, obvykle diskutujeme o homeostáze v rámci různých systémů. Tělo se snaží vytvářet stálé vnitřní prostředí. Tuto stabilitu potřebuje, aby mohlo fungovat na optimální úrovni.

Pokud nás něco vyděsí, zvýší se tepová frekvence a krev se nahrne do životně důležitých orgánů a svalů, aby nás připravila na útěk. V určitém okamžiku se tělo musí vrátit do homeostázy. Je nezdravé setrvávat v tomto vzrušeném stavu po dlouhou dobu. Většina mechanismů zpětné vazby – negativních – pracuje na tom, aby se tělo vrátilo do homeostázy.

Homeostázu může ovlivnit mnoho věcí. Toxiny v našem prostředí, to, co jíme, stav naší mysli, to, jak jsme zdraví, složení naší DNA a účinky léků a rekreačních drog. Cokoli z toho nás může ovlivnit na buněčné úrovni (receptor, řídicí centrum nebo efektor) a způsobit poruchy zpětnovazebních mechanismů.

Případně najdeme zpětnovazební mechanismy i v našem prostředí. Ekosystém, který podporuje populaci králíků, může například podporovat potravní nároky tří dravých ptáků. Pokud se tato králičí populace v důsledku nemoci výrazně sníží, nemůže již podporovat tolik dravců. Jeden nebo dva draví ptáci se musí přesunout za jinými zdroji potravy, nebo zemřou hlady. Jakmile se populace králíků vrátí k normálu, může opět uživit více dravců. Pokud populace králíků nadále roste, mohou se do ekosystému nastěhovat další dravci. V tomto případě je nejzdravější poměr predátorů a kořisti ekvivalentem homeostázy.

Mechanismy zpětné vazby s otevřenou a uzavřenou smyčkou

V mechanismu zpětné vazby s otevřenou smyčkou jsou regulační kroky relativně jednoduché. Vstupy z receptorů přicházejí do řídicího centra a po zpracování toto konkrétní řídicí centrum vysílá signály do přidružených efektorových buněk.

V mechanismu s uzavřenou smyčkou působí další struktura. Ta nepřetržitě měří výstup efektorových buněk a sděluje tyto informace přímo receptorovým jednotkám. Další struktura – komparátor – tedy ovlivní, jaká informace dorazí do řídicího centra.

Dobrým příkladem mechanismu s uzavřenou zpětnou vazbou je termoregulace savců. Při regulaci tělesné teploty se komparátor nachází v hypotalamu. Tato malá oblast dostala jako komparátor informaci o tom, jaká by měla být normální tělesná teplota.

Termoreceptory v celém těle neustále vysílají informace prostřednictvím nervových impulsů do jiné oblasti hypotalamu. Tato oblast je termoregulačním řídicím centrem. Receptory detekují změny teplotních veličin. Při zjištění abnormalit v těchto veličinách vysílají receptory v dané části těla varovné signály do hypotalamu. Řídicí centrum vyšle nervové a/nebo chemické signály termoregulačním efektorům. Tyto efektory se nacházejí především ve štítné žláze, stěnách cév a kosterním svalstvu.

Když je nám velká zima, zbledneme a třeseme se. Náš metabolismus se zrychluje (stimulován hormony štítné žlázy), protože vyšší rychlost metabolismu produkuje dodatečné teplo. Krevní cévy v blízkosti kůže se stahují, aby se snížily ztráty tepla do vnějšího prostředí. Chloupky na pažích se postaví a přidají další izolační vrstvu. Svalové kontrakce vytvářejí další teplo. To vše jsou výsledky mechanismu negativní zpětné vazby; tělo se snaží vrátit na cílovou hodnotu 37 °C (98,6 °F).

Když je nám příliš horko, zčervenáme, jsme letargičtí a potíme se. Periferní cévy se rozšiřují, aby zvětšily svůj povrch, a umožnily tak únik tělesného tepla do vnějšího prostředí. Vytváří se nižší hladiny hormonů štítné žlázy, které zpomalují rychlost metabolismu a snižují produkci tepla uvnitř těla. Pot tělo ochlazuje. To je také mechanismus negativní zpětné vazby, který se snaží vrátit tělesnou teplotu na normální úroveň.

Nechceme systém pozitivní zpětné vazby pro regulaci teploty. Úmyslné vyvedení teploty tělesného jádra z homeostatického rozmezí může mít fatální následky. Jediný příklad mechanismu pozitivní zpětné vazby z hlediska termoregulace nastává při extrémně vysokých horečkách nebo když jsme dlouhodobě vystaveni venkovním teplotám 109°F a vyšším. Takto vysoké teploty spíše zvyšují rychlost metabolismu, než aby ji snižovaly; to dále zvyšuje vnitřní produkci tepla. V tomto okamžiku bude tělesné teplo dále stoupat, dokud nebude dosaženo smrtelné teploty – přibližně 113°F.

Bez komparátoru by byl výše uvedený termoregulační mechanismus otevřenou smyčkou. Díky komparátoru je však termoregulace systémem s uzavřenou smyčkou. Místo aby se spoléhal pouze na termoreceptory, jiná část hypotalamu neustále porovnává údaje z receptorů a efektorů s naprogramovanými hodnotami normální tělesné teploty. To znamená, že tělesná teplota je neustále monitorována – koneckonců na ní závisí nejkritičtější systémy organismu.

Mechanismus pozitivní zpětné vazby

Smyčka mechanismu pozitivní zpětné vazby je dráha, která způsobuje účinek daleko přesahující stav homeostázy. Zesiluje část fyziologického systému, která je již mimo homeostatický rozsah. Ve srovnání s negativními smyčkami existuje velmi málo pozitivních smyček.

Kladné zpětnovazební smyčky, stejně jako negativní formy, vyžadují kombinaci receptoru, řídicího centra a efektoru. Snaží se přivést organismus dále od ustáleného stavu homeostázy. Příklady mechanismu pozitivní zpětné vazby naleznete později.

Mechanismus negativní zpětné vazby

Negativní mechanismus zpětné vazby nelze považovat za opak pozitivního. Pozitivní zpětnovazební mechanismus přivádí organismus dále mimo rozsah homeostázy. Může se jednat o stimulační nebo inhibiční účinek. Důležité je, že se zde směr účinku vzdaluje od homeostatického rozsahu.

Negativní zpětnovazební mechanismus naopak přivádí tělo zpět k homeostatickému rozsahu. Je proto častější než pozitivní zpětnovazební smyčka. Opět se mohou uplatnit jak stimulační, tak inhibiční účinky, aby se tělo vrátilo do normálního stavu. Například když je nám příliš horko, produkuje se méně hormonů štítné žlázy. Produkce hormonu štítné žlázy je inhibována, aby se tělesná teplota vrátila do normálního rozmezí jako součást mechanismu negativní zpětné vazby. Když je nám příliš chladno, produkce hormonů štítné žlázy je stimulována, aby se zvýšila tělesná teplota -a to je také mechanismus negativní zpětné vazby.

Příklady mechanismů zpětné vazby

Ve světě biologie existují tisíce příkladů mechanismů zpětné vazby, ze kterých si můžete vybrat. Již jsme se zabývali termoregulací a jednoduchým ekosystémem. Většina z nich jsou příklady mechanismů záporné zpětné vazby, protože se jedná o nejčastější typ.

Přemýšlejte o jakékoliv části těla a budete schopni najít smyčku zpětné vazby ve hře. Regulace hladiny cukru v krvi je u zdravého jedince řízena dvěma hormony:

• Insulin: snižuje koncentraci glukózy v krvi
• Glukagon: zvyšuje koncentraci glukózy v krvi

Po jídle jsou vyšší hladiny glukózy v krvi detekovány beta buňkami (receptory) ve slinivce břišní. Slinivka břišní (řídicí centrum) produkuje inzulín. Tento hormonální posel říká efektoru (játrům), aby přebytečnou glukózu v krvi uložil ve formě glykogenu – příklad negativní zpětnovazební smyčky, která vrací vysokou hladinu glukózy v krvi na normální hodnoty.

Pokud jsme dlouho nejedli, glukóza v krvi se stává nižší než hodnoty v normálním rozmezí. Alfa buňky (receptory) ve slinivce břišní vysílají signály, které jsou zpracovávány v dalších oblastech slinivky (řídící centrum). Je rozhodnuto o vyslání chemického signálu v podobě glukagonu do jater (efektor). Játra reagují odbouráním zásob glukagonu a výrobou glukózy. Tím se naměřená nízká hladina glukózy v krvi vrátí na normální úroveň. Další smyčka negativní zpětné vazby.

Mechanismy pozitivní zpětné vazby jsou často škodlivé, protože záměrně ještě více vzdalují vnitřní prostředí od homeostázy. Rakovinné buňky produkují proteiny, které iniciují smyčky pozitivní zpětné vazby a přispívají ke vzniku nádorů. Dělají to tak, že prodlužují život buněk daleko za jejich normální (homeostatickou) životnost.

Dobrým příkladem mechanismu pozitivní zpětné vazby může být cytokinová bouře. Je známo, že koronavirové onemocnění vyvolává tento nadměrný zánětlivý účinek u lidí. Nadměrná produkce cytokinů jako zánětlivá reakce na virus může vést k multiorgánovému selhání a smrti. Postupné zvyšování zánětlivých účinků, které přivádí tělo ještě více mimo homeostatickou normu, z něj dělá mechanismus pozitivní zpětné vazby.

Další „pozitivní“ příklad mechanismu pozitivní zpětné vazby lze nalézt při porodu; zejména neustále se zvyšující produkci oxytocinu, když dítě tlačí na děložní hrdlo a cestuje porodními cestami. Receptory jsou v tomto případě smyslové buňky v děloze a porodních cestách; řídicím centrem je hypofýza. Hypofýza uvolňuje oxytocin jako chemického posla (hormon), který říká děloze (efektoru), aby se silněji stahovala. Když je ženské tělo v homeostáze, děloha se nestahuje. Jedná se tedy o dobrý příklad pozitivní zpětné vazby.

Bibliografie

.