定義
フィードバック機構とは、身体を正常な内部状態（ホメオスタシス）に戻す、または、より一般的には内部システムをホメオスタシスからさらに遠ざける生理的調節システムのことである。 ネガティブとポジティブの2つのメカニズムが存在します。 これらは、神経経路やホルモンなどの化学物質を介して作用し、刺激的または抑制的な効果をもたらす。 フィードバック機構は、生態系にも見られます。
フィードバック機構とは
生物学において、フィードバック機構とは、身体を通常の定常状態に近づけたり離したりする生理的ループのことである。 フィードバック機構は、フィードバック ループとも呼ばれ、特定の生物学的経路を増幅するか、または抑制するかのいずれかです。 これらの経路は、最も一般的には、身体をホメオスタシスに戻す。 ホメオスタシス状態とは、生物の内部環境の安定した状態を指します。
正と負の両方のフィードバック系は、特定の生理経路を調整するには3つの要素を必要とします：
- Receptor（受容体）。 (受容体：（またはセンサー）情報を受信し、これをコントロールセンターに送信します。 (1966>
信号は、神経経路（活動電位および神経伝達物質）または化学信号（最も一般的にはホルモン）を介して送信することができる。）
生理学について話すとき、通常、異なるシステム内の恒常性について議論しています。 身体は、一定の内部環境を作り出すように努めています。
私たちが何かに怯えると、心拍数が上がり、重要な臓器や筋肉に血液が駆け巡り、逃げる準備をします。 ある時点で、身体はホメオスタシスに戻らなければなりません。 この興奮状態が長く続くと不健康になります。 ほとんどのフィードバック機構（ネガティブなもの）は、体をホメオスタシスに戻すために働いている。 環境中の毒素、食べるもの、心の状態、健康状態、DNAの構成、薬物や娯楽用薬物の影響などです。 これらのどれもが、細胞（受容体、制御センター、エフェクター）レベルで私たちに影響を与え、フィードバック機構の異常を引き起こします。
あるいは、環境の中にフィードバック機構も見出されます。 たとえば、ウサギの個体数を支える生態系は、3 羽の猛禽類の食事要求を支えるかもしれません。 そのウサギの個体数が病気によって大幅に減少した場合、もはや多くの捕食者を養うことはできない。 1羽か2羽の猛禽類は、他の餌を探すか、飢え死にするかしなければならない。 ウサギの個体数が元に戻れば、再び複数の猛禽類を養えるようになります。 ウサギの個体数が増え続ければ、他の肉食動物がその生態系に移動してくる可能性があります。 この場合、最も健全な捕食者と被食者の比率が、ホメオスタシスに相当します。
開ループと閉ループのフィードバック機構
開ループフィードバック機構において、調節ステップは比較的単純です。 受容体からの入力は制御中枢に到着し、処理後、その特定の制御中枢は関連するエフェクター細胞に信号を送る。
閉ループ機構では、追加の構造が作用している。 これはエフェクター出力を継続的に測定し、この情報を直接受容体ユニットに伝達する。 体温調節では、コンパレータは視床下部に位置している。 コンパレータとして、この小さな領域は、通常の体温がどうあるべきかを伝えられています。
体中の熱受容体は、神経インパルスを介して視床下部の別の領域に絶えず情報を送っているのです。 この領域は体温調節のコントロールセンターである。 受容体は体温の変化を感知する。 これらの変数に異常が見つかると、体のその部分の受容体は視床下部に警告信号を送ります。 コントロールセンターは神経信号および/または化学信号を体温調節エフェクターに送ります。 これらの効果器は主に甲状腺、血管壁、骨格筋に存在する。
私たちは非常に寒いと、顔色が悪くなり震える。 代謝率が上がると余分な熱が発生するため、代謝が速くなる（甲状腺ホルモンによって刺激される）。 皮膚に近い血管は収縮して、外部環境への熱の損失を減らします。 腕の毛が立ち上がり、保温効果を高める。 筋肉が収縮すると、さらに熱が発生します。 これらはすべて負のフィードバック機構の結果であり、体は目標値である37℃（98.6°F）に戻ろうとしている。
暑すぎると、顔が赤くなり、だるくなって、汗をかいてしまう。 末梢血管が拡張して表面積が増えるため、体温が外部に奪われるようになります。 甲状腺ホルモンの濃度が低下すると、代謝速度が低下し、体内の熱産生が抑えられます。 汗は体を冷やします。 これは、体温を正常なレベルに戻そうとする負のフィードバック機構でもある
私たちは体温調節に正のフィードバックシステムを求めてはいないのです。 意図的に中核体温を恒常性の範囲外にすることは致命的である。 体温調節の面で正帰還機構が働く唯一の例は、極端に高い発熱時や、109°F以上の屋外温度に長時間さらされたときに起こります。 このような高温では、代謝率が低下するどころか上昇し、体内の熱産生がさらに高まります。 この時点で、体温は致命的な温度（約113°F）に達するまで上昇し続けます。
コンパレータがなければ、上記の体温調節機構は開ループとなります。 しかし、コンパレータは体温調節を閉ループシステムにする。 体温受容器だけに頼るのではなく、視床下部の別の部位が受容器とエフェクターのデータをプログラムされた正常体温値と常に比較するのである。 これは、体温が常に監視されていることを意味します。結局のところ、体の最も重要なシステムは体温に依存しています。
正のフィードバック機構
正のフィードバック機構のループとは、恒常性の状態をはるかに超える効果を引き起こす経路のことを指します。 すでに恒常性の範囲外になっている生理システムの一部を増幅する。 負のループに比べ、正のループは非常に少ない。
正のフィードバックループは、負の形態と同様に、受容体、制御センター、エフェクターの組み合わせが必要である。 これらは、身体を定常状態であるホメオスタシスからさらに遠ざけようとする。 正帰還機構の例は後述します。
負帰還機構
負帰還機構を正帰還機構の逆と見なすことはできません。 正のフィードバック機構は、身体をホメオスタシスの範囲からさらに外へと導く。 これは刺激的な効果であったり抑制的な効果であったりする。 ここで重要なのは、効果の方向が恒常性の範囲から離れることである。
一方、負のフィードバック機構は、体を恒常性の範囲に戻すものである。 したがって、正帰還ループよりも一般的である。 ここでも、刺激作用と抑制作用の両方が働いて、体を正常な状態に戻すことができる。 例えば、暑すぎると甲状腺ホルモンの分泌が少なくなります。 甲状腺ホルモンの分泌は、負のフィードバック機構の一部として、体温を正常な範囲に戻すために抑制されます。 1788>
フィードバック機構の例
生物学の世界には、何千ものフィードバック機構の例があります。 私たちはすでに体温調節と単純な生態系について見てきました。 ほとんどの場合、負のフィードバック機構の例が最も一般的です。
身体のどの部分について考えても、フィードバックループを見つけることができます。 健康な人の血糖調節は、2つのホルモンによってコントロールされています。
- インスリン：血糖値を下げる
- グルカゴン：血糖値を上げる
食後、血糖値の上昇は膵臓のベータ細胞（受容体）によって検知されます。 膵臓（コントロールセンター）はインスリンを分泌する。 このホルモンメッセンジャーは、効果器（肝臓）に対して、過剰な血糖をグリコーゲンの形で貯蔵するよう指示します。これは、高血糖を正常レベルに戻す負のフィードバックループの一例です。 膵臓にあるα細胞（受容体）が信号を送り、膵臓の他の部位（コントロールセンター）で処理されます。 グルカゴンという化学信号を肝臓（エフェクター）に送ることが決定される。 肝臓はグルカゴンの貯蔵物を分解し、グルコースを製造することで反応する。 これにより、低血糖の測定値が正常なレベルに戻る。 もうひとつの負のフィードバックループ。
正のフィードバック機構は、内部環境を意図的に恒常性からさらに遠ざけてしまうため、有害であることが多い。 がん細胞は、正のフィードバックループを開始するタンパク質を産生し、腫瘍の形成に寄与する。 正帰還メカニズムの良い例は、サイトカインストームであろう。 コロナウイルス疾患は、ヒトにおいてこの過剰な炎症作用をもたらすことが知られている。 ウイルスに対する炎症反応としてサイトカインが過剰に産生されると、多臓器不全や死に至ることもある。
より「ポジティブな」ポジティブフィードバック機構の例は、分娩に見られます。特に赤ちゃんが子宮口を押し、産道を通る際にオキシトシンが絶えず増加することが挙げられます。 この場合の受容体は子宮と産道にある感覚細胞で、コントロールセンターは下垂体である。 下垂体は化学伝達物質（ホルモン）としてオキシトシンを放出し、子宮（効果器）に強く収縮するように指示します。 女性の体が恒常性を保っているときは、子宮は収縮しない。 したがって、これはポジティブフィードバックループの良い例である。
