Definicja

Mechanizm sprzężenia zwrotnego jest fizjologicznym systemem regulacyjnym, który albo przywraca organizm do normalnego stanu wewnętrznego (homeostazy), albo, rzadziej, doprowadza system wewnętrzny dalej od homeostazy. Istnieją dwa mechanizmy – negatywny i pozytywny. Działają one za pośrednictwem dróg nerwowych lub substancji chemicznych, takich jak hormony, aby wywołać efekt stymulujący lub hamujący. Mechanizmy sprzężenia zwrotnego występują również w ekosystemach.

Co to jest mechanizm sprzężenia zwrotnego?

W biologii, mechanizm sprzężenia zwrotnego jest pętlą fizjologiczną, która doprowadza organizm albo w kierunku normalnego, ustalonego stanu, albo z dala od niego. Mechanizm sprzężenia zwrotnego, określany również jako pętla sprzężenia zwrotnego, albo wzmacnia pewną ścieżkę biologiczną, albo ją hamuje. Ścieżki te najczęściej przywracają organizm do homeostazy. Stan homeostatyczny odnosi się do stabilnego stanu środowiska wewnętrznego organizmów.

Zarówno systemy dodatniego, jak i ujemnego sprzężenia zwrotnego wymagają trzech elementów, aby dostosować określone szlaki fizjologiczne:

• Receptor: (lub czujnik) odbiera informacje i wysyła je do centrum sterowania.
• Centrum sterowania: (lub ewaluator) przetwarza informacje z receptora i pobudza efektor.
• Efektor: wykonuje działanie pobudzające lub hamujące zgodnie z instrukcjami centrum sterowania.

Sygnały mogą być przesyłane drogami nerwowymi (potencjały czynnościowe i neuroprzekaźniki) lub poprzez sygnały chemiczne (najczęściej hormony).

Gdy mówimy o fizjologii, zwykle omawiamy homeostazę w obrębie różnych układów. Ciało dąży do wytworzenia stałego środowiska wewnętrznego. Potrzebuje tej stabilności, aby funkcjonować na optymalnym poziomie.

Jeśli jesteśmy przerażeni czymś, tętno wzrasta i krew pędzi do ważnych narządów i mięśni, aby przygotować nas do ucieczki. W pewnym momencie organizm musi powrócić do homeostazy. Niezdrowe jest pozostawanie w tym stanie pobudzenia przez dłuższy czas. Większość mechanizmów zwrotnych – negatywnych – działa w celu przywrócenia organizmu do homeostazy.

Homeostaza może być naruszona przez wiele rzeczy. Toksyny w naszym środowisku, co jemy, nasz stan umysłu, jak zdrowi jesteśmy, makijaż naszego DNA i skutki leków i narkotyków rekreacyjnych. Każda z nich może wpłynąć na nas na poziomie komórkowym (receptor, centrum kontroli lub efektor) i spowodować nieprawidłowości mechanizmu sprzężenia zwrotnego.

Alternatywnie, znajdujemy również mechanizmy sprzężenia zwrotnego w naszym środowisku. Ekosystem, który wspiera populację królików może, na przykład, wspierać wymagania żywieniowe trzech ptaków drapieżnych. Jeśli populacja królików zostanie znacznie zredukowana przez chorobę, nie będzie mogła utrzymać tak wielu drapieżników. Jeden lub dwa ptaki drapieżne muszą wyruszyć na poszukiwanie innych źródeł pożywienia lub umrzeć z głodu. Gdy populacja królików wróci do normalnego stanu, może ponownie utrzymać wiele ptaków drapieżnych. Jeśli populacja królików nadal rośnie, inne drapieżniki mogą przenieść się do tego ekosystemu. W tym przypadku, najzdrowszy stosunek drapieżnika do ofiary jest odpowiednikiem homeostazy.

Mechanizmy sprzężenia zwrotnego w pętli otwartej i zamkniętej

W mechanizmie sprzężenia zwrotnego w pętli otwartej, kroki regulacyjne są stosunkowo proste. Dane wejściowe z receptorów docierają do centrum sterowania i po przetworzeniu, to specyficzne centrum sterowania wysyła sygnały do powiązanych komórek efektorowych.

W mechanizmie zamkniętej pętli, dodatkowa struktura jest w pracy. Mierzy ona w sposób ciągły wydajność efektorów i przekazuje te informacje bezpośrednio do jednostek receptorowych. Dodatkowa struktura – komparator – będzie zatem wpływać na to, jakie informacje docierają do centrum sterowania.

Dobrym przykładem mechanizmu sprzężenia zwrotnego w zamkniętej pętli jest termoregulacja u ssaków. W regulacji temperatury ciała komparator znajduje się w podwzgórzu. Jako komparator, ten niewielki obszar został poinformowany, jaka powinna być normalna temperatura ciała.

Termoreceptory w całym ciele nieustannie wysyłają informacje za pośrednictwem impulsów nerwowych do innego obszaru podwzgórza. Obszar ten jest centrum kontroli termoregulacji. Receptory wykrywają zmiany w zmiennych temperaturach. W przypadku stwierdzenia nieprawidłowości w tych zmiennych, receptory w tej części ciała wysyłają sygnały ostrzegawcze do podwzgórza. Centrum kontroli wysyła sygnały nerwowe i/lub chemiczne do efektorów termoregulacyjnych. Efektory te znajdują się głównie w tarczycy, ścianach naczyń krwionośnych i mięśniach szkieletowych.

Gdy jest nam bardzo zimno, stajemy się bladzi i drżymy. Nasz metabolizm przyspiesza (stymulowany przez hormon tarczycy), ponieważ wyższe tempo przemiany materii wytwarza dodatkowe ciepło. Naczynia krwionośne w pobliżu skóry zwężają się, aby zmniejszyć utratę ciepła do środowiska zewnętrznego. Włosy na ramionach podnoszą się i tworzą dodatkową warstwę izolacyjną. Skurcze mięśni generują dodatkowe ciepło. Wszystko to jest wynikiem mechanizmu ujemnego sprzężenia zwrotnego; organizm próbuje powrócić do wartości docelowej 98,6°F (37°C).

Gdy jest nam za gorąco, stajemy się spłukani, ospali i pocimy się. Obwodowe naczynia krwionośne rozszerzają się, aby zwiększyć swoją powierzchnię i w ten sposób umożliwić utratę ciepła ciała do środowiska zewnętrznego. Wytwarza się niższy poziom hormonu tarczycy, który spowalnia tempo przemiany materii i zmniejsza produkcję ciepła w organizmie. Pot chłodzi ciało. Jest to również mechanizm ujemnego sprzężenia zwrotnego, który próbuje przywrócić temperaturę ciała do normalnego poziomu.

Nie chcemy systemu dodatniego sprzężenia zwrotnego dla kontroli temperatury. Celowe doprowadzenie do wzrostu temperatury ciała poza zakresem homeostazy może być śmiertelne. Jedyny przykład mechanizmu dodatniego sprzężenia zwrotnego w zakresie termoregulacji występuje podczas bardzo wysokich gorączek lub gdy jesteśmy narażeni przez długi czas na temperatury zewnętrzne 109°F i powyżej. Tak wysokie temperatury podnoszą tempo przemiany materii, zamiast je obniżać, co dodatkowo zwiększa wewnętrzną produkcję ciepła. W tym momencie, ciepło ciała będzie nadal rosło, aż do osiągnięcia temperatury śmiertelnej – około 113°F.

Bez komparatora, powyższy mechanizm termoregulacji byłby pętlą otwartą. Jednak komparator sprawia, że termoregulacja staje się systemem zamkniętej pętli. Zamiast polegać wyłącznie na termoreceptorach, inna część podwzgórza nieustannie porównuje dane z receptorów i efektorów z zaprogramowanymi przez siebie wartościami normalnej temperatury ciała. Oznacza to, że temperatura ciała jest zawsze monitorowana – w końcu od niej zależą najbardziej krytyczne systemy organizmu.

Mechanizm dodatniego sprzężenia zwrotnego

Pętla mechanizmu dodatniego sprzężenia zwrotnego to ścieżka, która powoduje efekt wykraczający daleko poza stan homeostazy. Wzmacnia ona część systemu fizjologicznego, która jest już poza zakresem homeostazy. Bardzo niewiele dodatnich pętli istnieje w porównaniu do ujemnych.

Pętle dodatniego sprzężenia zwrotnego, podobnie jak formy ujemne, wymagają połączenia receptora, centrum kontroli i efektora. Próbują one przynieść ciała dalej od stanu ustalonego homeostazy. Przykłady mechanizmu dodatniego sprzężenia zwrotnego można znaleźć później.

Mechanizm ujemnego sprzężenia zwrotnego

Mechanizm ujemnego sprzężenia zwrotnego nie może być postrzegany jako przeciwieństwo pozytywnego. Mechanizm dodatniego sprzężenia zwrotnego wyprowadza organizm dalej poza zakres homeostazy. Może to być efekt stymulujący lub hamujący. Istotne jest tu to, że kierunek oddziaływania oddala się od zakresu homeostazy.

Mechanizm ujemnego sprzężenia zwrotnego, z drugiej strony, sprowadza ciało z powrotem w kierunku zakresu homeostazy. Dlatego jest on bardziej powszechny niż pętla dodatniego sprzężenia zwrotnego. Ponownie, zarówno stymulujące i hamujące efekty mogą być realizowane w celu doprowadzenia ciała z powrotem do normalnego stanu. Na przykład, gdy jest nam za gorąco, produkowana jest mniejsza ilość hormonu tarczycy. Produkcja hormonów tarczycy jest hamowana, aby przywrócić temperaturę ciała do normalnego zakresu, jako część mechanizmu ujemnego sprzężenia zwrotnego. Kiedy jest nam zbyt zimno, produkcja hormonów tarczycy jest stymulowana w celu podniesienia temperatury ciała – i to również jest mechanizm ujemnego sprzężenia zwrotnego.

Przykłady mechanizmów sprzężenia zwrotnego

W świecie biologii są tysiące przykładów mechanizmów sprzężenia zwrotnego do wyboru. Już spojrzeliśmy na termoregulację i prosty ekosystem. Większość z nich to przykłady mechanizmów ujemnego sprzężenia zwrotnego, ponieważ jest to najczęstszy typ.

Pomyśl o jakiejkolwiek części ciała, a będziesz w stanie znaleźć pętlę sprzężenia zwrotnego w grze. Regulacja poziomu cukru we krwi u zdrowej osoby jest kontrolowana przez dwa hormony:

• Insulina: obniża stężenie glukozy we krwi
• Glukagon: zwiększa stężenie glukozy we krwi

Po jedzeniu, wyższy poziom glukozy we krwi jest wykrywany przez komórki beta (receptory) w trzustce. Trzustka (centrum sterowania) produkuje insulinę. Ten posłaniec hormonu nakazuje efektorowi (wątrobie) magazynować nadmiar glukozy we krwi w postaci glikogenu – jest to przykład pętli ujemnego sprzężenia zwrotnego, która przywraca wysoki poziom glukozy we krwi do normalnego poziomu.

Jeśli nie jedliśmy przez dłuższy czas, stężenie glukozy we krwi staje się niższe niż wartości w normalnym zakresie. Komórki alfa (receptory) w trzustce wysyłają sygnały, które są przetwarzane w innych obszarach trzustki (centrum sterowania). Podejmowana jest decyzja o wysłaniu sygnału chemicznego w postaci glukagonu do wątroby (efektor). W odpowiedzi wątroba niszczy swoje zapasy glukagonu i wytwarza glukozę. Dzięki temu niski poziom glukozy we krwi wraca do normalnego poziomu. Kolejna pętla ujemnego sprzężenia zwrotnego.

Mechanizmy dodatniego sprzężenia zwrotnego są często szkodliwe, ponieważ celowo oddalają środowisko wewnętrzne jeszcze bardziej od homeostazy. Komórki nowotworowe wytwarzają białka, które inicjują pętle dodatniego sprzężenia zwrotnego i przyczyniają się do powstawania guzów. Robią to poprzez przedłużanie życia komórek daleko poza ich normalną (homeostatyczną) żywotność.

Dobrym przykładem mechanizmu dodatniego sprzężenia zwrotnego byłaby burza cytokinowa. Choroba koronawirusowa jest znana z wytwarzania tego nadmiernego efektu zapalnego u ludzi. Nadmierna produkcja cytokin jako odpowiedź zapalna na wirusa może prowadzić do niewydolności wielonarządowej i śmierci. Postępujący wzrost efektów zapalnych, który sprowadza organizm jeszcze bardziej poza homeostatyczną normę, czyni z tego mechanizm dodatniego sprzężenia zwrotnego.

Najbardziej „pozytywny” przykład mechanizmu dodatniego sprzężenia zwrotnego można znaleźć w porodzie; szczególnie w stale rosnącej produkcji oksytocyny, gdy dziecko naciska na szyjkę macicy i przemieszcza się przez kanał rodny. Receptorami w tym przypadku są komórki czuciowe w macicy i kanale rodnym; centrum sterowania jest przysadka mózgowa. Przysadka mózgowa uwalnia oksytocynę jako posłańca chemicznego (hormon), który mówi macicy (efektorowi), aby skurczyła się mocniej. Kiedy ciało kobiety jest w homeostazie, macica nie kurczy się. Jest to zatem dobry przykład pętli dodatniego sprzężenia zwrotnego.

Bibliografia

.