Definizione
Un meccanismo di feedback è un sistema fisiologico di regolazione che riporta il corpo a uno stato interno normale (omeostasi) o, meno comunemente, porta un sistema interno più lontano dall’omeostasi. Esistono due meccanismi – negativo e positivo. Questi agiscono tramite vie nervose o sostanze chimiche come gli ormoni per causare un effetto stimolatorio o inibitorio. I meccanismi di feedback si trovano anche negli ecosistemi.
Che cos’è il meccanismo di feedback?
In biologia, un meccanismo di feedback è un ciclo fisiologico che porta il corpo verso o lontano dal normale stato stazionario. Il meccanismo di feedback, chiamato anche ciclo di retroazione, amplifica un certo percorso biologico o lo inibisce. Questi percorsi più comunemente riportano il corpo all’omeostasi. Uno stato omeostatico si riferisce allo stato stabile dell’ambiente interno degli organismi.
I sistemi di feedback sia positivi che negativi richiedono tre componenti per regolare specifiche vie fisiologiche:
- Ricettore: (o sensore) riceve informazioni e le invia al centro di controllo.
- Centro di controllo: (o valutatore) elabora le informazioni del recettore e stimola l’effettore.
- Effettore: esegue un effetto stimolatorio o inibitorio secondo le istruzioni del centro di controllo.
I segnali possono essere inviati tramite vie nervose (potenziali d’azione e neurotrasmettitori) o tramite segnali chimici (più comunemente, ormoni).
Quando si parla di fisiologia, di solito si parla di omeostasi all’interno di diversi sistemi. Il corpo si sforza di produrre un ambiente interno costante. Ha bisogno di questa stabilità per funzionare ad un livello ottimale.
Se siamo spaventati da qualcosa, la frequenza cardiaca aumenta e il sangue si precipita negli organi vitali e nei muscoli per prepararci alla fuga. Ad un certo punto, il corpo deve tornare all’omeostasi. Non è sano rimanere in questo stato eccitabile per lunghi periodi di tempo. La maggior parte dei meccanismi di feedback – quelli negativi – lavorano per riportare il corpo all’omeostasi.
L’omeostasi può essere influenzata da molte cose. Le tossine nel nostro ambiente, ciò che mangiamo, il nostro stato d’animo, quanto siamo sani, la composizione del nostro DNA e gli effetti di farmaci e droghe ricreative. Ognuno di questi può influenzarci a livello cellulare (recettore, centro di controllo o effettore) e causare anomalie nei meccanismi di feedback.
Alternativamente, troviamo anche meccanismi di feedback nel nostro ambiente. Un ecosistema che sostiene una popolazione di conigli potrebbe, per esempio, sostenere le esigenze alimentari di tre rapaci. Se quella popolazione di conigli si riduce significativamente a causa di una malattia, non può più sostenere tanti predatori. Uno o due rapaci devono spostarsi per trovare altre fonti di cibo o morire di fame. Una volta che la popolazione di conigli torna alla normalità, può di nuovo sostenere più rapaci. Se la popolazione di conigli continua ad aumentare, altri predatori possono trasferirsi in quell’ecosistema. In questo caso, il rapporto predatore-preda più sano è l’equivalente dell’omeostasi.
Meccanismi di feedback a circuito aperto e chiuso
In un meccanismo di feedback a circuito aperto, le fasi di regolazione sono relativamente semplici. L’input dai recettori arriva al centro di controllo e, dopo l’elaborazione, quel centro di controllo specifico invia segnali alle cellule effettrici associate.
In un meccanismo a circuito chiuso, è al lavoro una struttura aggiuntiva. Questa misura continuamente l’output degli effettori e comunica queste informazioni direttamente alle unità recettrici. La struttura supplementare – il comparatore – influenzerà quindi le informazioni che arrivano al centro di controllo.
Un buon esempio di un meccanismo di feedback a circuito chiuso è la termoregolazione dei mammiferi. Nella regolazione della temperatura corporea, il comparatore si trova nell’ipotalamo. Come comparatore, a questa piccola area è stato detto quale dovrebbe essere la normale temperatura corporea.
I termorecettori in tutto il corpo inviano continuamente informazioni tramite impulsi nervosi a un’altra area dell’ipotalamo. Quest’area è il centro di controllo della termoregolazione. I recettori rilevano i cambiamenti nelle variabili della temperatura. Quando si riscontrano anomalie in queste variabili, i recettori in quella parte del corpo inviano segnali di avvertimento all’ipotalamo. Il centro di controllo invierà segnali nervosi e/o chimici agli effettori termoregolatori. Questi effettori si trovano principalmente nella tiroide, nelle pareti dei vasi sanguigni e nei muscoli scheletrici.
Quando abbiamo molto freddo, diventiamo pallidi e tremiamo. Il nostro metabolismo accelera (stimolato dall’ormone tiroideo) perché un tasso di metabolismo più alto produce più calore. I vasi sanguigni vicini alla pelle si restringono per ridurre la perdita di calore verso l’ambiente esterno. I peli delle nostre braccia si alzano e aggiungono un ulteriore strato di isolamento. Le contrazioni muscolari generano ulteriore calore. Questi sono tutti i risultati di un meccanismo di feedback negativo; il corpo sta cercando di tornare ad un valore target di 98,6°F (37°C).
Quando abbiamo troppo caldo, diventiamo arrossati e letargici, e sudiamo. I vasi sanguigni periferici si dilatano per aumentare la loro superficie e permettere così al calore del corpo di essere disperso nell’ambiente esterno. Si producono livelli più bassi di ormone tiroideo che rallentano il tasso metabolico e riducono la produzione di calore all’interno del corpo. Il sudore raffredda il corpo. Anche questo è un meccanismo di feedback negativo che cerca di riportare la temperatura corporea a un livello normale.
Non vogliamo un sistema di feedback positivo per il controllo della temperatura. Portare intenzionalmente la temperatura corporea centrale fuori dall’intervallo omeostatico può essere fatale. L’unico esempio di un meccanismo di feedback positivo in termini di termoregolazione si verifica durante febbri estremamente alte o quando siamo esposti per lunghi periodi a temperature esterne di 109°F e oltre. Tali temperature elevate aumentano il tasso metabolico piuttosto che diminuirlo; questo aumenta ulteriormente la produzione interna di calore. A questo punto, il calore corporeo continuerà ad aumentare fino a raggiungere una temperatura fatale – circa 113°F.
Senza il comparatore, il meccanismo di termoregolazione di cui sopra sarebbe a circuito aperto. Tuttavia, il comparatore rende la termoregolazione un sistema a circuito chiuso. Invece di fare affidamento solo sui termorecettori, una parte diversa dell’ipotalamo confronta costantemente i dati dei recettori e degli effettori con i suoi valori programmati di temperatura corporea normale. Questo significa che la temperatura corporea è sempre monitorata – dopo tutto, i sistemi più critici del corpo dipendono da essa.
Meccanismo di feedback positivo
Un ciclo di meccanismo di feedback positivo è un percorso che causa un effetto che va ben oltre lo stato di omeostasi. Amplifica una parte di un sistema fisiologico che è già al di fuori della gamma omeostatica. Esistono pochissimi loop positivi in confronto a quelli negativi.
I loop di feedback positivi, proprio come le forme negative, richiedono la combinazione di recettore, centro di controllo ed effettore. Tentano di portare il corpo più lontano dallo stato stazionario di omeostasi. Esempi di meccanismi di feedback positivo possono essere trovati più avanti.
Meccanismo di feedback negativo
Un meccanismo di feedback negativo non può essere visto come l’opposto di uno positivo. Un meccanismo di feedback positivo porta il corpo più al di fuori della gamma dell’omeostasi. Questo può essere un effetto stimolatorio o inibitorio. Ciò che conta qui è che la direzione dell’effetto si allontana dalla gamma omeostatica.
Il meccanismo di feedback negativo, invece, riporta il corpo verso la gamma omeostatica. È, quindi, più comune di un ciclo di feedback positivo. Anche in questo caso, sia gli effetti stimolatori che quelli inibitori possono essere attuati per riportare il corpo ad uno stato normale. Per esempio, quando abbiamo troppo caldo, viene prodotto meno ormone tiroideo. La produzione di ormone tiroideo viene inibita per riportare la temperatura corporea nella norma, come parte di un meccanismo di feedback negativo. Quando abbiamo troppo freddo, la produzione di ormone tiroideo viene stimolata per aumentare la temperatura corporea – e anche questo è un meccanismo di feedback negativo.
Esempi di meccanismi di feedback
Ci sono migliaia di esempi di meccanismi di feedback da cui scegliere nel mondo della biologia. Abbiamo già visto la termoregolazione e un semplice ecosistema. La maggior parte sono esempi di meccanismi di feedback negativo, poiché questo è il tipo più comune.
Pensate a qualsiasi parte del corpo e sarete in grado di trovare un ciclo di feedback in gioco. La regolazione dello zucchero nel sangue in un individuo sano è controllata da due ormoni:
- Insulina: diminuisce la concentrazione di glucosio nel sangue
- Glucagone: aumenta la concentrazione di glucosio nel sangue
Dopo aver mangiato, livelli più alti di glucosio nel sangue sono rilevati dalle cellule beta (recettori) nel pancreas. Il pancreas (centro di controllo) produce insulina. Questo ormone messaggero dice all’effettore (il fegato) di immagazzinare il glucosio in eccesso nel sangue sotto forma di glicogeno – un esempio di un ciclo di feedback negativo che riporta il glucosio alto nel sangue a livelli normali.
Se non abbiamo mangiato per molto tempo, la glicemia diventa più bassa dei valori normali. Le cellule alfa (recettori) nel pancreas inviano segnali che vengono elaborati in altre aree del pancreas (centro di controllo). Viene presa la decisione di inviare un segnale chimico sotto forma di glucagone al fegato (effettore). Il fegato risponde rompendo le sue riserve di glucagone e producendo glucosio. Questo riporta una misura bassa di glucosio nel sangue a livelli normali. Un altro ciclo di feedback negativo.
I meccanismi di feedback positivo sono spesso dannosi perché portano intenzionalmente l’ambiente interno ancora più lontano dall’omeostasi. Le cellule tumorali producono proteine che avviano cicli di feedback positivi e contribuiscono alla formazione di tumori. Lo fanno estendendo la vita delle cellule ben oltre la loro normale durata di vita (omeostatica).
Un buon esempio di meccanismo di feedback positivo sarebbe la tempesta di citochine. La malattia da coronavirus è nota per produrre questo eccessivo effetto infiammatorio negli esseri umani. La produzione eccessiva di citochine come risposta infiammatoria al virus può portare all’insufficienza multiorgano e alla morte. Un aumento progressivo degli effetti infiammatori che porta il corpo ancora più al di fuori della norma omeostatica rende questo un meccanismo di feedback positivo.
Un esempio di meccanismo di feedback positivo più ‘positivo’ si trova nel travaglio e nel parto; in particolare la produzione in continuo aumento di ossitocina mentre il bambino spinge sulla cervice e viaggia attraverso il canale del parto. I recettori in questo caso sono cellule sensoriali nell’utero e nel canale del parto; il centro di controllo è la ghiandola pituitaria. L’ipofisi rilascia ossitocina come messaggero chimico (ormone) che dice all’utero (effettore) di contrarsi più fortemente. Quando il corpo femminile è in omeostasi, l’utero non si contrae. Questo è quindi un buon esempio di ciclo di feedback positivo.
