Definition
Ein Rückkopplungsmechanismus ist ein physiologisches Regulierungssystem, das den Körper entweder in einen normalen inneren Zustand (Homöostase) zurückführt oder, seltener, ein inneres System weiter von der Homöostase entfernt. Es gibt zwei Mechanismen – negative und positive. Sie wirken über Nervenbahnen oder chemische Stoffe wie Hormone, um eine stimulierende oder hemmende Wirkung zu erzielen. Rückkopplungsmechanismen gibt es auch in Ökosystemen.
Was ist ein Rückkopplungsmechanismus?
In der Biologie ist ein Rückkopplungsmechanismus eine physiologische Schleife, die den Körper entweder in Richtung des normalen, stabilen Zustands oder davon weg bringt. Der Rückkopplungsmechanismus, der auch als Rückkopplungsschleife bezeichnet wird, verstärkt entweder einen bestimmten biologischen Signalweg oder hemmt ihn. Diese Wege führen den Körper in der Regel in die Homöostase zurück. Ein homöostatischer Zustand bezieht sich auf den stabilen Zustand der inneren Umgebung von Organismen.
Sowohl positive als auch negative Rückkopplungssysteme benötigen drei Komponenten, um bestimmte physiologische Pfade anzupassen:
- Rezeptor: (oder Sensor) empfängt Informationen und sendet diese an das Kontrollzentrum.
- Kontrollzentrum: (oder Auswerter) verarbeitet Rezeptorinformationen und stimuliert den Effektor.
- Effektor: führt eine stimulierende oder hemmende Wirkung gemäß den Anweisungen des Kontrollzentrums aus.
Signale können über Nervenbahnen (Aktionspotentiale und Neurotransmitter) oder über chemische Signale (am häufigsten Hormone) gesendet werden.
Wenn wir über Physiologie sprechen, geht es in der Regel um die Homöostase innerhalb verschiedener Systeme. Der Körper ist bestrebt, eine konstante innere Umgebung zu schaffen. Er braucht diese Stabilität, um optimal zu funktionieren.
Wenn wir uns vor etwas fürchten, erhöht sich der Herzschlag und das Blut strömt zu den lebenswichtigen Organen und Muskeln, um uns auf die Flucht vorzubereiten. Ab einem bestimmten Punkt muss der Körper zur Homöostase zurückkehren. Es ist ungesund, über einen längeren Zeitraum in diesem erregbaren Zustand zu bleiben. Die meisten – negativen – Rückkopplungsmechanismen arbeiten daran, den Körper wieder in die Homöostase zu bringen.
Die Homöostase kann durch viele Dinge beeinträchtigt werden. Giftstoffe in unserer Umwelt, was wir essen, unser Geisteszustand, wie gesund wir sind, die Beschaffenheit unserer DNA und die Auswirkungen von Medikamenten und Freizeitdrogen. Jeder dieser Faktoren kann uns auf zellulärer Ebene (Rezeptor, Kontrollzentrum oder Effektor) beeinflussen und zu Störungen der Rückkopplungsmechanismen führen.
Als Alternative dazu finden wir auch Rückkopplungsmechanismen in unserer Umwelt. Ein Ökosystem, das eine Kaninchenpopulation beherbergt, könnte zum Beispiel den Nahrungsbedarf von drei Raubvögeln decken. Wenn die Kaninchenpopulation durch Krankheiten erheblich reduziert wird, kann sie nicht mehr so viele Raubtiere ernähren. Ein oder zwei Raubvögel müssen weiterziehen, um andere Nahrungsquellen zu finden, oder sie verhungern. Sobald sich die Kaninchenpopulation wieder normalisiert hat, kann sie wieder mehrere Raubvögel beherbergen. Wenn die Kaninchenpopulation weiter ansteigt, können andere Raubtiere in das Ökosystem einwandern. In diesem Fall ist das gesündeste Verhältnis von Raubtier zu Beute das Äquivalent zur Homöostase.
Open und Closed-Loop Rückkopplungsmechanismen
Bei einem offenen Rückkopplungsmechanismus sind die Regulierungsschritte relativ einfach. Der Input von den Rezeptoren kommt im Kontrollzentrum an, und nach der Verarbeitung sendet dieses spezifische Kontrollzentrum Signale an die zugehörigen Effektorzellen.
In einem Closed-Loop-Mechanismus ist eine zusätzliche Struktur am Werk. Diese misst kontinuierlich die Leistung der Effektoren und gibt diese Information direkt an die Rezeptoreinheiten weiter. Die zusätzliche Struktur – der Komparator – beeinflusst also, welche Informationen im Kontrollzentrum ankommen.
Ein gutes Beispiel für einen Rückkopplungsmechanismus mit geschlossenem Regelkreis ist die Thermoregulation bei Säugetieren. Bei der Regulierung der Körpertemperatur befindet sich der Komparator im Hypothalamus. Als Komparator wurde diesem winzigen Bereich mitgeteilt, wie hoch die normale Körpertemperatur sein sollte.
Thermorezeptoren im gesamten Körper senden kontinuierlich Informationen über Nervenimpulse an einen anderen Bereich des Hypothalamus. Dieser Bereich ist das thermoregulatorische Kontrollzentrum. Die Rezeptoren erkennen Veränderungen in den Temperaturvariablen. Wenn bei diesen Variablen Anomalien festgestellt werden, senden die Rezeptoren in diesem Teil des Körpers Warnsignale an den Hypothalamus. Das Kontrollzentrum sendet dann Nerven- und/oder chemische Signale an die thermoregulatorischen Effektoren. Diese Effektoren befinden sich hauptsächlich in der Schilddrüse, den Blutgefäßwänden und der Skelettmuskulatur.
Wenn uns sehr kalt ist, werden wir blass und zittern. Unser Stoffwechsel beschleunigt sich (angeregt durch das Schilddrüsenhormon), da eine höhere Stoffwechselrate zusätzliche Wärme produziert. Die Blutgefäße in der Nähe der Haut ziehen sich zusammen, um den Wärmeverlust an die Umgebung zu verringern. Die Haare an unseren Armen stellen sich auf und bilden eine zusätzliche Isolierschicht. Muskelkontraktionen erzeugen zusätzliche Wärme. All dies ist das Ergebnis eines negativen Rückkopplungsmechanismus; der Körper versucht, zu einem Zielwert von 37°C (98,6°F) zurückzukehren.
Wenn uns zu heiß ist, werden wir rot und träge und wir schwitzen. Die peripheren Blutgefäße erweitern sich, um ihre Oberfläche zu vergrößern, so dass Körperwärme an die Umgebung abgegeben werden kann. Es werden weniger Schilddrüsenhormone produziert, die den Stoffwechsel verlangsamen und die Wärmeproduktion im Körper verringern. Schweiß kühlt den Körper ab. Dies ist ebenfalls ein negativer Rückkopplungsmechanismus, der versucht, die Körpertemperatur wieder auf ein normales Niveau zu bringen.
Wir wollen kein positives Rückkopplungssystem zur Temperaturkontrolle. Eine absichtliche Verlagerung der Körperkerntemperatur aus dem homöostatischen Bereich kann tödlich sein. Das einzige Beispiel für einen positiven Rückkopplungsmechanismus in Bezug auf die Thermoregulation tritt bei extrem hohem Fieber auf oder wenn wir für längere Zeit Außentemperaturen von 109°F und mehr ausgesetzt sind. Bei solch hohen Temperaturen steigt die Stoffwechselrate eher an, als dass sie sinkt; dadurch wird die interne Wärmeproduktion weiter erhöht. An diesem Punkt steigt die Körperwärme weiter an, bis eine tödliche Temperatur erreicht ist – etwa 113°F.
Ohne den Komparator wäre der obige Thermoregulationsmechanismus ein offener Kreislauf. Durch den Komparator wird die Thermoregulation jedoch zu einem geschlossenen Kreislaufsystem. Anstatt sich nur auf die Thermorezeptoren zu verlassen, vergleicht ein anderer Teil des Hypothalamus ständig die Rezeptor- und Effektordaten mit seinen programmierten normalen Körpertemperaturwerten. Das bedeutet, dass die Körpertemperatur ständig überwacht wird – schließlich hängen die kritischsten Systeme des Körpers von ihr ab.
Positiver Rückkopplungsmechanismus
Eine positive Rückkopplungsschleife ist ein Weg, der eine Wirkung verursacht, die weit über den Zustand der Homöostase hinausgeht. Sie verstärkt einen Teil eines physiologischen Systems, der sich bereits außerhalb des homöostatischen Bereichs befindet. Es gibt nur sehr wenige positive Rückkopplungsschleifen im Vergleich zu den negativen.
Positive Rückkopplungsschleifen erfordern, genau wie die negativen Formen, die Kombination von Rezeptor, Kontrollzentrum und Effektor. Sie versuchen, den Körper weiter vom stabilen Zustand der Homöostase wegzubringen. Beispiele für positive Rückkopplungsmechanismen finden sich weiter unten.
Negative Rückkopplungsmechanismen
Ein negativer Rückkopplungsmechanismus kann nicht als das Gegenteil eines positiven betrachtet werden. Ein positiver Rückkopplungsmechanismus bringt den Körper weiter aus dem Bereich der Homöostase heraus. Dies kann eine stimulierende oder hemmende Wirkung sein. Entscheidend ist, dass sich die Richtung der Wirkung vom homöostatischen Bereich wegbewegt.
Der negative Rückkopplungsmechanismus hingegen bringt den Körper zurück in den homöostatischen Bereich. Er ist daher häufiger anzutreffen als eine positive Rückkopplungsschleife. Auch hier können sowohl stimulierende als auch hemmende Effekte eingesetzt werden, um den Körper wieder in einen normalen Zustand zu bringen. Wenn uns zum Beispiel zu heiß ist, werden weniger Schilddrüsenhormone produziert. Die Produktion von Schilddrüsenhormonen wird gehemmt, um die Körpertemperatur als Teil eines negativen Rückkopplungsmechanismus wieder in den Normalbereich zu bringen. Wenn uns zu kalt ist, wird die Produktion von Schilddrüsenhormonen angeregt, um die Körpertemperatur zu erhöhen – auch dies ist ein negativer Rückkopplungsmechanismus.
Beispiele für Rückkopplungsmechanismen
Es gibt Tausende von Beispielen für Rückkopplungsmechanismen in der Welt der Biologie, aus denen man wählen kann. Wir haben uns bereits mit der Thermoregulation und einem einfachen Ökosystem beschäftigt. Bei den meisten Beispielen handelt es sich um negative Rückkopplungsmechanismen, da dies der häufigste Typ ist.
Denken Sie an irgendeinen Teil des Körpers und Sie werden eine Rückkopplungsschleife im Spiel finden. Die Blutzuckerregulierung bei einem gesunden Menschen wird von zwei Hormonen gesteuert:
- Insulin: senkt die Blutzuckerkonzentration
- Glukagon: erhöht die Blutzuckerkonzentration
Nach dem Essen wird ein erhöhter Blutzuckerspiegel von den Betazellen (Rezeptoren) in der Bauchspeicheldrüse festgestellt. Die Bauchspeicheldrüse (Schaltzentrale) produziert Insulin. Dieser Hormonbotenstoff weist den Effektor (die Leber) an, überschüssige Blutglukose in Form von Glykogen zu speichern – ein Beispiel für eine negative Rückkopplungsschleife, die einen hohen Blutzuckerspiegel wieder in den Normalbereich zurückführt.
Wenn wir lange nichts gegessen haben, sinkt der Blutzucker unter den Normalbereich. Alphazellen (Rezeptoren) in der Bauchspeicheldrüse senden Signale aus, die in anderen Bereichen der Bauchspeicheldrüse (Kontrollzentrum) verarbeitet werden. Es wird beschlossen, ein chemisches Signal in Form von Glukagon an die Leber (Effektor) zu senden. Die Leber reagiert darauf, indem sie ihre Glukagonspeicher abbaut und Glukose herstellt. Dadurch wird ein niedriger Blutzuckerspiegel wieder auf ein normales Niveau gebracht. Eine weitere negative Rückkopplungsschleife.
Positive Rückkopplungsmechanismen sind oft schädlich, da sie die innere Umgebung absichtlich noch weiter von der Homöostase entfernen. Krebszellen produzieren Proteine, die positive Rückkopplungsschleifen in Gang setzen und zur Bildung von Tumoren beitragen. Sie tun dies, indem sie das Leben der Zellen weit über ihre normale (homöostatische) Lebensdauer hinaus verlängern.
Ein gutes Beispiel für einen positiven Rückkopplungsmechanismus wäre der Zytokinsturm. Es ist bekannt, dass die Coronavirus-Erkrankung beim Menschen diesen übermäßigen Entzündungseffekt hervorruft. Eine übermäßige Zytokinproduktion als entzündliche Reaktion auf das Virus kann zu Multiorganversagen und Tod führen. Ein progressiver Anstieg der Entzündungseffekte, der den Körper noch weiter aus der homöostatischen Norm bringt, macht dies zu einem positiven Rückkopplungsmechanismus.
Ein eher „positiver“ positiver Rückkopplungsmechanismus findet sich zum Beispiel bei Wehen und Geburt; insbesondere die kontinuierlich ansteigende Produktion von Oxytocin, wenn das Baby auf den Gebärmutterhals drückt und durch den Geburtskanal wandert. Die Rezeptoren sind in diesem Fall Sinneszellen in der Gebärmutter und im Geburtskanal; das Kontrollzentrum ist die Hirnanhangdrüse. Die Hypophyse schüttet Oxytocin als chemischen Botenstoff (Hormon) aus, der die Gebärmutter (Effektor) zu einer stärkeren Kontraktion anregt. Wenn sich der weibliche Körper in der Homöostase befindet, zieht sich die Gebärmutter nicht zusammen. Dies ist also ein gutes Beispiel für eine positive Rückkopplung.
