Meghatározás
A visszacsatolási mechanizmus olyan fiziológiai szabályozó rendszer, amely vagy visszavezeti a szervezetet egy normális belső állapotba (homeosztázis), vagy – ritkábban – egy belső rendszert távolabb visz a homeosztázistól. Két mechanizmus létezik – negatív és pozitív. Ezek idegpályákon vagy vegyi anyagokon, például hormonokon keresztül fejtik ki serkentő vagy gátló hatásukat. A visszacsatolási mechanizmusok az ökoszisztémákban is megtalálhatók.
Mi a visszacsatolási mechanizmus?
A biológiában a visszacsatolási mechanizmus olyan fiziológiai hurok, amely a szervezetet vagy a normál, állandósult állapot felé, vagy attól távolítja. A visszacsatolási mechanizmus, más néven visszacsatolási hurok, vagy felerősít egy bizonyos biológiai útvonalat, vagy gátolja azt. Ezek az útvonalak leggyakrabban visszaállítják a szervezetet a homeosztázisba. A homeosztatikus állapot a szervezetek belső környezetének stabil állapotára utal.
A pozitív és a negatív visszacsatolási rendszereknek egyaránt három összetevőre van szükségük ahhoz, hogy bizonyos élettani útvonalakat beállítsanak:
- Receptor: (vagy szenzor) információt kap, és ezt továbbítja a vezérlőközpontnak.
- Vezérlőközpont: (vagy kiértékelő) feldolgozza a receptor információit és stimulálja az effektorokat.
- Effektor: a vezérlőközpont utasításai szerint végrehajtja a stimuláló vagy gátló hatást.
A jelek küldhetők idegpályákon keresztül (akciós potenciálok és neurotranszmitterek) vagy kémiai jeleken keresztül (leggyakrabban hormonok).
Amikor fiziológiáról beszélünk, általában a különböző rendszereken belüli homeosztázisról beszélünk. A szervezet arra törekszik, hogy állandó belső környezetet hozzon létre. Erre az állandóságra van szüksége ahhoz, hogy optimális szinten működjön.
Ha megijedünk valamitől, a szívverésünk megnő, és a vér a létfontosságú szervekbe és izmokba áramlik, hogy felkészüljünk a menekülésre. Egy bizonyos ponton a testnek vissza kell térnie a homeosztázisba. Egészségtelen, ha hosszú ideig ebben az izgatott állapotban maradunk. A legtöbb – negatív – visszacsatolási mechanizmus azért működik, hogy a szervezetet visszavezesse a homeosztázisba.
A homeosztázist sok minden befolyásolhatja. A környezetünkben lévő mérgek, az, hogy mit eszünk, a lelkiállapotunk, az, hogy mennyire vagyunk egészségesek, a DNS-ünk összetétele, valamint a gyógyszerek és a rekreációs drogok hatása. Ezek közül bármelyik hatással lehet ránk sejtszinten (receptor, vezérlőközpont vagy effektor), és visszacsatolási mechanizmusok rendellenességeit okozhatja.
Alternatívaként a környezetünkben is találunk visszacsatolási mechanizmusokat. Egy ökoszisztéma, amely egy nyúlpopulációt támogat, például három ragadozó madár táplálékigényét is támogathatja. Ha ez a nyúlpopuláció betegség miatt jelentősen csökken, már nem tud annyi ragadozót eltartani. Egy vagy két ragadozó madárnak tovább kell mennie, hogy más táplálékforrást keressen, vagy éhen kell halnia. Amint a nyúlpopuláció visszatér a normális szintre, ismét több ragadozó madarat tud eltartani. Ha a nyúlpopuláció tovább növekszik, más ragadozók is beköltözhetnek az ökoszisztémába. Ebben az esetben a legegészségesebb ragadozó-zsákmány arány a homeosztázisnak felel meg.
A nyílt és zárt hurkú visszacsatolási mechanizmusok
A nyílt hurkú visszacsatolási mechanizmusban a szabályozási lépések viszonylag egyszerűek. A receptoroktól érkező bemenet megérkezik a vezérlőközpontba, és a feldolgozás után az adott vezérlőközpont jeleket küld a kapcsolódó effektorsejteknek.
A zárt hurkú mechanizmusban egy további struktúra működik. Ez folyamatosan méri az effektorok kimenetét, és ezt az információt közvetlenül a receptoregységeknek továbbítja. A plusz struktúra – a komparátor – tehát befolyásolja, hogy milyen információ érkezik a vezérlőközpontba.
A zárt hurkú visszacsatolási mechanizmusra jó példa az emlősök hőszabályozása. A testhőmérséklet szabályozásában a komparátor a hipotalamuszban található. Komparátorként ez a parányi terület kapta meg, hogy milyen legyen a normális testhőmérséklet.
A termoreceptorok az egész testben idegimpulzusokon keresztül folyamatosan információt küldenek a hipotalamusz egy másik területére. Ez a terület a hőszabályozó központ. A receptorok érzékelik a hőmérsékleti változók változásait. Ha ezekben a változókban rendellenességeket észlelünk, a test ezen részén lévő receptorok figyelmeztető jeleket küldenek a hipotalamuszba. Az irányítóközpont idegi és/vagy kémiai jeleket küld a hőszabályozó effektoroknak. Ezek az effektorok elsősorban a pajzsmirigyben, az érfalakban és a vázizmokban találhatók.
Ha nagyon fázunk, elsápadunk és reszketünk. Az anyagcserénk felgyorsul (a pajzsmirigyhormon által serkentve), mivel a magasabb anyagcsereráta extra hőt termel. A bőrhöz közeli erek összeszűkülnek, hogy csökkentsék a külső környezetbe történő hőveszteséget. A karunkon lévő szőrszálak felállnak, és egy extra szigetelőréteget adnak. Az izomösszehúzódások további hőt termelnek. Ezek mind egy negatív visszacsatolási mechanizmus eredményei; a szervezet megpróbál visszatérni a 37 °C-os (98,6 °F) célértékhez.
Ha túl melegünk van, kipirulunk, letargikusak leszünk, és izzadunk. A perifériás erek kitágulnak, hogy megnöveljék felületüket, és így a testhő a külső környezetbe távozhasson. Alacsonyabb pajzsmirigyhormonszint termelődik, ami lelassítja az anyagcserét és csökkenti a hőtermelést a testben. A verejték hűti a testet. Ez is egy negatív visszacsatolási mechanizmus, amely megpróbálja a testhőmérsékletet visszahozni a normális szintre.
Nem akarunk pozitív visszacsatolási rendszert a hőmérséklet szabályozására. A testmaghőmérséklet szándékos kivitele a homeosztatikus tartományból végzetes lehet. A hőszabályozás szempontjából az egyetlen példa a pozitív visszacsatolási mechanizmusra a rendkívül magas láz esetén fordul elő, vagy amikor hosszú ideig 109°F vagy annál magasabb külső hőmérsékletnek vagyunk kitéve. Az ilyen magas hőmérséklet inkább megnöveli az anyagcsererátát, mint csökkenti azt; ez tovább növeli a belső hőtermelést. Ekkor a testhő tovább emelkedik, amíg el nem érjük a halálos hőmérsékletet – körülbelül 113°F körül.
A komparátor nélkül a fenti hőszabályozási mechanizmus nyílt hurkú lenne. A komparátor azonban a hőszabályozást zárt hurkú rendszerré teszi. Ahelyett, hogy kizárólag a termoreceptorokra hagyatkoznánk, a hipotalamusz egy másik része folyamatosan összehasonlítja a receptorok és effektorok adatait az általa programozott normál testhőmérsékleti értékekkel. Ez azt jelenti, hogy a testhőmérsékletet folyamatosan ellenőrzik – elvégre a szervezet legkritikusabb rendszerei függnek tőle.
Pozitív visszacsatolási mechanizmus
A pozitív visszacsatolási mechanizmus hurok olyan útvonal, amely a homeosztázis állapotát messze meghaladó hatást vált ki. Egy fiziológiai rendszer olyan részét erősíti fel, amely már a homeosztatikus tartományon kívül van. Nagyon kevés pozitív visszacsatolási hurok létezik a negatívhoz képest.
A pozitív visszacsatolási hurokhoz, akárcsak a negatív formákhoz, receptor, vezérlőközpont és effektor kombinációja szükséges. Megkísérlik a szervezetet távolabb vinni a homeosztázis állandósult állapotától. A pozitív visszacsatolási mechanizmusra a későbbiekben találunk példákat.
Negatív visszacsatolási mechanizmus
A negatív visszacsatolási mechanizmus nem tekinthető a pozitív ellentétének. A pozitív visszacsatolási mechanizmus a szervezetet a homeosztázis tartományán kívülre viszi. Ez lehet serkentő vagy gátló hatás. Itt az a lényeg, hogy a hatás iránya távolodik a homeosztatikus tartománytól.
A negatív visszacsatolási mechanizmus viszont visszahozza a szervezetet a homeosztatikus tartomány felé. Ezért gyakoribb, mint a pozitív visszacsatolási hurok. Ismét stimuláló és gátló hatások egyaránt megvalósíthatók, hogy a szervezetet visszavezessék a normális állapotba. Ha például túl melegünk van, kevesebb pajzsmirigyhormon termelődik. A pajzsmirigyhormon-termelés gátlásra kerül, hogy a testhőmérsékletet visszahozza a normál tartományba egy negatív visszacsatolási mechanizmus részeként. Amikor túl hideg van, a pajzsmirigyhormon-termelés serkentődik, hogy növelje a testhőmérsékletet – és ez is egy negatív visszacsatolási mechanizmus.
Példák a visszacsatolási mechanizmusra
A biológia világában több ezer visszacsatolási mechanizmus példája közül választhatunk. A hőszabályozással és egy egyszerű ökoszisztémával már foglalkoztunk. A legtöbb példa negatív visszacsatolási mechanizmus, mivel ez a leggyakoribb típus.
Gondoljunk a test bármelyik részére, és biztosan találunk egy visszacsatolási hurkot. Az egészséges ember vércukorszintjének szabályozását két hormon irányítja:
- Inzulin: csökkenti a vércukorszintet
- Glükagon: növeli a vércukorszintet
Az étkezés után a magasabb vércukorszintet a hasnyálmirigy béta-sejtjei (receptorai) érzékelik. A hasnyálmirigy (irányító központ) inzulint termel. Ez a hormon hírvivője azt mondja az effektornak (a májnak), hogy a felesleges vércukrot glikogén formájában tárolja – ez egy negatív visszacsatolási hurok példája, amely a magas vércukorszintet visszaállítja a normális szintre.
Ha hosszú ideig nem ettünk, a vércukorszint a normál tartománybeli értékeknél alacsonyabb lesz. A hasnyálmirigy alfa-sejtjei (receptorai) jeleket küldenek, amelyeket a hasnyálmirigy más területein (irányítóközpont) dolgoznak fel. Döntés születik arról, hogy kémiai jelet küldenek glükagon formájában a májba (effektor). A máj válaszul lebontja glükagonraktárait és glükózt állít elő. Ez az alacsony vércukormérést visszaállítja a normális szintre. Egy újabb negatív visszacsatolási hurok.
A pozitív visszacsatolási mechanizmusok gyakran károsak, mivel szándékosan még távolabb viszik a belső környezetet a homeosztázistól. A rákos sejtek olyan fehérjéket termelnek, amelyek pozitív visszacsatolási hurkokat indítanak el, és hozzájárulnak a daganatok kialakulásához. Ezt úgy teszik, hogy a sejtek élettartamát jóval a normális (homeosztatikus) élettartamuk fölé hosszabbítják.
A pozitív visszacsatolási mechanizmusra jó példa lehet a citokinvihar. A koronavírusos megbetegedésről ismert, hogy ezt a túlzott gyulladásos hatást váltja ki az emberben. A vírusra adott gyulladásos válaszként fellépő túlzott citokintermelés többszervi elégtelenséghez és halálhoz vezethet. A gyulladásos hatások progresszív növekedése, amely a szervezetet még inkább a homeosztatikus normán kívülre viszi, ezt pozitív visszacsatolási mechanizmussá teszi.
Egy “pozitívabb” pozitív visszacsatolási mechanizmus példája a vajúdás és a szülés során található; különösen az oxitocin folyamatosan növekvő termelése, ahogy a baba nyomja a méhnyakat és halad át a szülőcsatornán. A receptorok ebben az esetben a méhben és a szülőcsatornában lévő érzékelő sejtek; az irányító központ az agyalapi mirigy. Az agyalapi mirigy oxitocint bocsát ki kémiai hírvivő anyagként (hormon), amely azt mondja a méhnek (effektor), hogy húzódjon össze erőteljesebben. Amikor a női szervezet homeosztázisban van, a méh nem húzódik össze. Ez tehát egy jó példa a pozitív visszacsatolásra.
