Definition
En feedbackmekanisme er et fysiologisk reguleringssystem, der enten bringer kroppen tilbage til en normal intern tilstand (homøostase) eller, mindre almindeligt, bringer et internt system længere væk fra homøostase. Der findes to mekanismer – negative og positive. Disse virker via nervebaner eller kemikalier som f.eks. hormoner for at forårsage en stimulerende eller hæmmende virkning. Feedbackmekanismer findes også i økosystemer.
Hvad er feedbackmekanisme?
I biologien er en feedbackmekanisme et fysiologisk kredsløb, der bringer kroppen enten mod eller væk fra den normale, stabile tilstand. Feedbackmekanismen, der også kaldes et feedbackloop, forstærker enten en bestemt biologisk vej eller hæmmer den. Disse veje fører oftest kroppen tilbage til homeostase. En homøostatisk tilstand henviser til den stabile tilstand i organismers indre miljø.
Både positive og negative feedback-systemer kræver tre komponenter for at justere specifikke fysiologiske veje:
- Receptor: (eller sensor) modtager information og sender den til kontrolcentret.
- Kontrolcenter: (eller evaluator) behandler receptorinformation og stimulerer effektoren.
- Effektoren: udfører en stimulerende eller hæmmende virkning i henhold til kontrolcentrets instruktioner.
Signaler kan sendes via nervebaner (aktionspotentialer og neurotransmittere) eller via kemiske signaler (oftest hormoner).
Når vi taler om fysiologi, taler vi som regel om homeostase i forskellige systemer. Kroppen stræber efter at skabe et konstant indre miljø. Den har brug for denne stabilitet for at fungere optimalt.
Hvis vi bliver skræmt af noget, stiger hjertefrekvensen, og blodet strømmer til de vitale organer og muskler for at forberede os på at flygte. På et vist tidspunkt skal kroppen vende tilbage til homøostase. Det er usundt at forblive i denne ophidsede tilstand i lange perioder. De fleste feedbackmekanismer – negative mekanismer – arbejder for at bringe kroppen tilbage til homeostase.
Homeostase kan påvirkes af mange ting. Giftstoffer i vores omgivelser, hvad vi spiser, vores sindstilstand, hvor sunde vi er, sammensætningen af vores DNA og virkningerne af medicin og rekreative stoffer. Enhver af disse kan påvirke os på et cellulært niveau (receptor, kontrolcenter eller effektor) og forårsage abnormiteter i feedbackmekanismen.
Alternativt finder vi også feedbackmekanismer i vores omgivelser. Et økosystem, der understøtter en kaninbestand, kan f.eks. støtte tre rovfugles ernæringsbehov. Hvis denne kaninbestand reduceres betydeligt på grund af sygdom, kan den ikke længere forsørge lige så mange rovdyr. En eller to rovfugle må gå videre for at finde andre fødekilder eller sulte. Når kaninbestanden bliver normal igen, kan den igen forsørge flere rovfugle. Hvis kaninbestanden fortsætter med at stige, kan andre rovdyr flytte ind i dette økosystem. I dette tilfælde svarer det sundeste forhold mellem rovdyr og byttedyr til homeostase.
Opne og lukkede feedbackmekanismer
I en åben feedbackmekanisme er de regulerende trin relativt enkle. Input fra receptorer ankommer til kontrolcentret, og efter behandling sender dette specifikke kontrolcenter signaler til tilknyttede effektorceller.
I en closed-loop-mekanisme er der en yderligere struktur på spil. Denne måler løbende effektoroutput og kommunikerer disse oplysninger direkte til receptorenhederne. Den ekstra struktur – komparatoren – vil derfor påvirke, hvilke oplysninger der ankommer til kontrolcentret.
Et godt eksempel på en lukket feedbackmekanisme er pattedyrs termoregulering. Ved regulering af kropstemperaturen er komparatoren placeret i hypothalamus. Som komparator har dette lille område fået at vide, hvad den normale kropstemperatur skal være.
Thermoreceptorer i hele kroppen sender løbende information via nerveimpulser til et andet område i hypothalamus. Dette område er det termoregulerende kontrolcenter. Receptorerne registrerer ændringer i temperaturvariabler. Når der konstateres abnormiteter i disse variabler, sender receptorer i den pågældende del af kroppen advarselssignaler til hypothalamus. Kontrolcentret sender nerve- og/eller kemiske signaler til de termoregulerende effektorer. Disse effektorer findes primært i skjoldbruskkirtlen, blodkarvæggene og skeletmuskulaturen.
Når vi fryser meget, bliver vi blege og ryster. Vores stofskifte accelererer (stimuleret af skjoldbruskkirtelhormon), da højere stofskiftehastigheder producerer ekstra varme. Blodkarrene tæt på huden trækker sig sammen for at reducere varmetabet til det ydre miljø. Hårene på vores arme rejser sig op og tilføjer et ekstra lag isolering. Muskelsammentrækninger genererer yderligere varme. Disse er alle resultater af en negativ feedback-mekanisme; kroppen forsøger at vende tilbage til en målværdi på 37°C (98,6°F).
Når vi har det for varmt, bliver vi rødme og sløve, og vi sveder. De perifere blodkar udvider sig for at øge deres overfladeareal og dermed tillade, at kropsvarmen kan tabes til det ydre miljø. Der produceres lavere niveauer af skjoldbruskkirtelhormon, som sænker stofskiftet og reducerer varmeproduktionen inde i kroppen. Sveden afkøler kroppen. Dette er også en negativ feedback-mekanisme, der forsøger at bringe kropstemperaturen tilbage til et normalt niveau.
Vi ønsker ikke et positivt feedbacksystem til temperaturkontrol. Det kan være fatalt at bringe kroppens kernetemperatur bevidst ud af det homøostatiske område. Det eneste eksempel på en positiv feedback-mekanisme med hensyn til termoregulering forekommer under ekstremt høj feber, eller når vi i lange perioder udsættes for udendørs temperaturer på 109°F og derover. Sådanne høje temperaturer øger stofskiftet i stedet for at sænke det; dette øger yderligere den interne varmeproduktion. På dette tidspunkt vil kropsvarmen fortsætte med at stige, indtil en dødelig temperatur er nået – omkring 113°F.
Selv uden komparatoren ville ovenstående termoreguleringsmekanisme være open-loop. Komparatoren gør imidlertid termoreguleringen til et lukket kredsløbssystem. I stedet for udelukkende at stole på termoreceptorer sammenligner en anden del af hypothalamus konstant receptor- og effektordata med sine programmerede normale kropstemperaturværdier. Det betyder, at kropstemperaturen altid overvåges – kroppens mest kritiske systemer er trods alt afhængige af den.
Positiv feedback-mekanisme
En positiv feedback-mekanisme loop er en vej, der forårsager en effekt, der går langt ud over homøostasetilstanden. Den forstærker en del af et fysiologisk system, der allerede er uden for det homøostatiske område. Der findes meget få positive loops i forhold til negative loops.
Positive feedback loops kræver ligesom de negative former en kombination af receptor, kontrolcenter og effektor. De forsøger at bringe kroppen længere væk fra den stabile tilstand af homeostase. Eksempler på positive feedback-mekanismer findes senere.
Negative feedback-mekanismer
En negativ feedback-mekanisme kan ikke ses som det modsatte af en positiv mekanisme. En positiv feedbackmekanisme bringer kroppen længere ud af homøostaseområdet. Dette kan være en stimulerende eller hæmmende virkning. Det afgørende her er, at retningen af virkningen bevæger sig væk fra det homøostatiske område.
Den negative feedbackmekanisme bringer derimod kroppen tilbage mod det homøostatiske område. Den er derfor mere almindelig end et positivt feedback loop. Igen kan både stimulerende og hæmmende virkninger gennemføres for at bringe kroppen tilbage til en normal tilstand. Når vi f.eks. har det for varmt, produceres der mindre skjoldbruskkirtelhormon. Skjoldbruskkirtelhormonproduktionen hæmmes for at bringe kropstemperaturen tilbage til normalområdet som en del af en negativ feedbackmekanisme. Når vi har det for koldt, stimuleres produktionen af skjoldbruskkirtelhormon for at øge kropstemperaturen – og dette er også en negativ feedbackmekanisme.
Eksempler på feedbackmekanismer
Der er tusindvis af eksempler på feedbackmekanismer at vælge imellem i biologiens verden. Vi har allerede set på termoregulering og et simpelt økosystem. De fleste er eksempler på negative feedbackmekanismer, da dette er den mest almindelige type.
Tænk på en hvilken som helst del af kroppen, og du vil kunne finde et feedbackloop i spil. Blodsukkerregulering hos et sundt individ styres af to hormoner:
- Insulin: sænker blodglukosekoncentrationen
- Glucagon: øger blodglukosekoncentrationen
Når vi spiser, registreres højere blodglukoseværdier af betaceller (receptorer) i bugspytkirtlen. Bugspytkirtlen (kontrolcentret) producerer insulin. Dette hormonbudskab fortæller effektoren (leveren), at den skal lagre overskydende blodglukose i form af glykogen – et eksempel på et negativt feedbackloop, der returnerer højt blodglukose til normale niveauer.
Hvis vi ikke har spist i lang tid, bliver blodglukose lavere end værdierne i normalområdet. Alfaceller (receptorer) i bugspytkirtlen sender signaler, som behandles i andre områder af bugspytkirtlen (kontrolcenter). Der træffes en beslutning om at sende et kemisk signal i form af glukagon til leveren (effektor). Leveren reagerer ved at nedbryde sine glukagonlagre og producere glukose. Dette bringer en lav blodglukosemåling tilbage til et normalt niveau. Endnu et negativt feedback-kredsløb.
Positive feedback-mekanismer er ofte skadelige, da de bevidst bringer det indre miljø endnu længere væk fra homeostase. Kræftceller producerer proteiner, der sætter positive feedbacksløjfer i gang og bidrager til dannelsen af tumorer. Det gør de ved at forlænge cellernes levetid langt ud over deres normale (homøostatiske) levetid.
Et godt eksempel på en positiv feedback-mekanisme ville være cytokinstormen. Coronavirus-sygdom er kendt for at producere denne overdrevne inflammatoriske effekt hos mennesker. Overdreven cytokinproduktion som et inflammatorisk svar på viruset kan føre til multiorgansvigt og død. En progressiv stigning i inflammatoriske virkninger, der bringer kroppen endnu længere ud af den homøostatiske norm, gør dette til en positiv feedbackmekanisme.
Et mere “positivt” eksempel på en positiv feedbackmekanisme findes i forbindelse med fødsler; især den kontinuerligt stigende produktion af oxytocin, når barnet presser på livmoderhalsen og bevæger sig gennem fødselskanalen. Receptorerne i dette tilfælde er sanseceller i livmoderen og fødselskanalen; kontrolcentret er hypofysen. Hypofysen frigiver oxytocin som en kemisk budbringer (hormon), der fortæller livmoderen (effektor), at den skal trække sig stærkere sammen. Når kvindens krop er i homøostase, trækker livmoderen sig ikke sammen. Dette er derfor et godt eksempel på et positivt feedback loop.
