Definiție

Un mecanism de feedback este un sistem fiziologic de reglare care fie readuce organismul la o stare internă normală (homeostazia), fie, mai rar, îndepărtează un sistem intern de homeostazie. Există două mecanisme – negativ și pozitiv. Acestea acționează prin intermediul căilor nervoase sau al substanțelor chimice, cum ar fi hormonii, pentru a provoca un efect stimulativ sau inhibitor. Mecanismele de feedback se regăsesc, de asemenea, în ecosisteme.

Ce este mecanismul de feedback?

În biologie, un mecanism de feedback este o buclă fiziologică care aduce organismul fie spre sau departe de starea normală, de echilibru. Mecanismul de feedback, denumit și buclă de reacție, fie amplifică o anumită cale biologică, fie o inhibă. Cel mai adesea, aceste căi readuc organismul la homeostazie. O stare homeostatică se referă la starea stabilă a mediului intern al organismelor.

Atât sistemele de feedback pozitiv, cât și cel negativ necesită trei componente pentru a regla căile fiziologice specifice:

• Receptor: (sau senzor) primește informații și le trimite la centrul de control.
• Centrul de control: (sau evaluator) procesează informațiile receptorului și stimulează efectorul.
• Efectorul: realizează un efect stimulator sau inhibitor în conformitate cu instrucțiunile centrului de control.

Semnalele pot fi trimise prin intermediul căilor nervoase (potențiale de acțiune și neurotransmițători) sau prin semnale chimice (cel mai frecvent, hormoni).

Când vorbim despre fiziologie, discutăm, de obicei, despre homeostazia în cadrul diferitelor sisteme. Organismul se străduiește să producă un mediu intern constant. El are nevoie de această stabilitate pentru a funcționa la un nivel optim.

Dacă suntem speriați de ceva, ritmul cardiac crește și sângele se grăbește către organele vitale și mușchi pentru a ne pregăti pentru a scăpa. La un moment dat, organismul trebuie să revină la homeostazie. Nu este sănătos să rămânem în această stare de excitație pentru perioade lungi de timp. Majoritatea mecanismelor de feedback – negative – lucrează pentru a readuce organismul la homeostazie.

Homeostazia poate fi afectată de multe lucruri. Toxinele din mediul înconjurător, ceea ce mâncăm, starea noastră de spirit, cât de sănătoși suntem, alcătuirea ADN-ului nostru și efectele medicamentelor și ale drogurilor recreaționale. Oricare dintre acestea ne poate afecta la nivel celular (receptor, centru de control sau efector) și poate cauza anomalii ale mecanismelor de feedback.

Alternativ, găsim mecanisme de feedback și în mediul nostru. Un ecosistem care susține o populație de iepuri ar putea, de exemplu, să susțină cerințele alimentare a trei păsări de pradă. Dacă acea populație de iepuri este redusă semnificativ din cauza unei boli, nu mai poate susține la fel de mulți prădători. Una sau două păsări de pradă trebuie să se deplaseze pentru a găsi alte surse de hrană sau să moară de foame. Odată ce populația de iepuri revine la normal, aceasta poate susține din nou mai multe păsări de pradă. Dacă populația de iepuri continuă să crească, alți prădători se pot muta în acel ecosistem. În acest caz, cel mai sănătos raport între prădători și pradă este echivalentul homeostaziei.

Mecanisme de feedback în buclă deschisă și în buclă închisă

Într-un mecanism de feedback în buclă deschisă, etapele de reglare sunt relativ simple. Intrarea de la receptori ajunge la centrul de control și, după procesare, acel centru de control specific trimite semnale către celulele efectoare asociate.

Într-un mecanism în buclă închisă, o structură suplimentară este la lucru. Aceasta măsoară continuu ieșirea efectorilor și comunică aceste informații direct unităților receptoare. Structura suplimentară – comparatorul – va afecta, prin urmare, informațiile care ajung la centrul de control.

Un bun exemplu de mecanism de feedback în buclă închisă este termoreglarea mamiferelor. În reglarea temperaturii corporale, comparatorul este localizat în hipotalamus. În calitate de comparator, acestei zone minuscule i s-a spus care ar trebui să fie temperatura normală a corpului.

Thermoreceptorii din tot corpul trimit continuu informații prin impulsuri nervoase către o altă zonă a hipotalamusului. Această zonă este centrul de control al termoregulării. Receptorii detectează modificările variabilelor de temperatură. Atunci când se constată anomalii în aceste variabile, receptorii din acea parte a corpului trimit semnale de avertizare către hipotalamus. Centrul de control va trimite semnale nervoase și/sau chimice către efectorii termoregulatori. Acești efectori se găsesc în principal în tiroidă, în pereții vaselor de sânge și în mușchii scheletici.

Când ne este foarte frig, devenim palizi și tremurăm. Metabolismul nostru se accelerează (stimulat de hormonul tiroidian), deoarece ratele mai mari ale metabolismului produc căldură suplimentară. Vasele de sânge apropiate de piele se contractă pentru a reduce pierderea de căldură către mediul extern. Firele de păr de pe brațele noastre se ridică și adaugă un strat suplimentar de izolație. Contracțiile musculare generează căldură suplimentară. Toate acestea sunt rezultatele unui mecanism de feedback negativ; organismul încearcă să revină la o valoare țintă de 37°C (98,6°F).

Când ne este prea cald, ne înroșim și devenim letargici și transpirăm. Vasele de sânge periferice se dilată pentru a-și mări suprafața și a permite astfel pierderea căldurii corporale către mediul extern. Se produc niveluri mai scăzute de hormoni tiroidieni care încetinesc rata metabolică și reduc producția de căldură în interiorul corpului. Transpirația răcește corpul. Acesta este, de asemenea, un mecanism de feedback negativ care încearcă să readucă temperatura corpului la un nivel normal.

Nu dorim un sistem de feedback pozitiv pentru controlul temperaturii. Aducerea intenționată a temperaturii corporale centrale în afara intervalului homeostatic poate fi fatală. Singurul exemplu de mecanism de feedback pozitiv în ceea ce privește termoreglarea apare în timpul febrei extrem de mari sau atunci când suntem expuși pentru perioade lungi de timp la temperaturi exterioare de 109°F și peste. Astfel de temperaturi ridicate cresc rata metabolică în loc să o scadă; acest lucru crește și mai mult producția internă de căldură. În acest moment, căldura corporală va continua să crească până când se atinge o temperatură fatală – în jur de 113°F.

Fără comparator, mecanismul de termoreglare de mai sus ar fi în buclă deschisă. Cu toate acestea, comparatorul face ca termoreglarea să fie un sistem în buclă închisă. În loc să se bazeze numai pe termoreceptori, o altă parte a hipotalamusului compară în mod constant datele receptorilor și efectorilor cu valorile normale programate ale temperaturii corporale. Acest lucru înseamnă că temperatura corpului este monitorizată în permanență – la urma urmei, cele mai critice sisteme ale corpului depind de ea.

Mecanism de feedback pozitiv

O buclă de mecanism de feedback pozitiv este o cale care determină un efect care depășește cu mult starea de homeostazie. Ea amplifică o parte a unui sistem fiziologic care se află deja în afara limitei homeostatice. Există foarte puține bucle pozitive în comparație cu cele negative.

Buclele de feedback pozitiv, la fel ca și formele negative, necesită combinația dintre receptor, centru de control și efector. Ele încearcă să îndepărteze organismul și mai mult de starea stabilă de homeostazie. Exemple de mecanisme de feedback pozitiv pot fi găsite mai târziu.

Mecanism de feedback negativ

Un mecanism de feedback negativ nu poate fi văzut ca fiind opusul unuia pozitiv. Un mecanism de feedback pozitiv aduce organismul și mai mult în afara intervalului de homeostazie. Acesta poate fi un efect stimulativ sau inhibitor. Ceea ce contează aici este că direcția efectului se îndepărtează de intervalul homeostatic.

Mecanismul de feedback negativ, pe de altă parte, aduce organismul înapoi spre intervalul homeostatic. Este, prin urmare, mai frecvent decât o buclă de feedback pozitiv. Din nou, atât efectele stimulative, cât și cele inhibitorii pot fi puse în aplicare pentru a readuce organismul la o stare normală. De exemplu, atunci când ne este prea cald, se produce mai puțin hormon tiroidian. Producția de hormoni tiroidieni este inhibată pentru a readuce temperatura corpului în intervalul normal, ca parte a unui mecanism de feedback negativ. Când ne este prea frig, producția de hormoni tiroidieni este stimulată pentru a crește temperatura corpului -și acesta este, de asemenea, un mecanism de feedback negativ.

Exemple de mecanisme de feedback

Există mii de exemple de mecanisme de feedback din care puteți alege în lumea biologiei. Am analizat deja termoreglarea și un ecosistem simplu. Cele mai multe sunt exemple de mecanisme de feedback negativ, deoarece acesta este cel mai comun tip.

Gândiți-vă la orice parte a corpului și veți putea găsi o buclă de feedback în joc. Reglarea glicemiei la un individ sănătos este controlată de doi hormoni:

• Insulina: scade concentrația de glucoză din sânge
• Glucagonul: crește concentrația de glucoză din sânge

După ce mâncăm, nivelurile mai ridicate de glucoză din sânge sunt detectate de celulele beta (receptori) din pancreas. Pancreasul (centrul de control) produce insulină. Acest hormon mesager îi spune efectorului (ficatul) să stocheze excesul de glucoză din sânge sub formă de glicogen – un exemplu de buclă de reacție negativă care readuce glicemia ridicată la niveluri normale.

Dacă nu am mâncat pentru o perioadă lungă de timp, glicemia devine mai mică decât valorile din intervalul normal. Celulele alfa (receptorii) din pancreas trimit semnale care sunt procesate în alte zone ale pancreasului (centrul de control). Se ia decizia de a trimite un semnal chimic sub formă de glucagon către ficat (efector). Ficatul răspunde prin descompunerea depozitelor sale de glucagon și producerea de glucoză. Acest lucru aduce o măsurătoare scăzută a glicemiei înapoi la niveluri normale. O altă buclă de feedback negativ.

Mecanismele de feedback pozitiv sunt adesea dăunătoare, deoarece aduc în mod intenționat mediul intern și mai departe de homeostazie. Celulele canceroase produc proteine care inițiază bucle de feedback pozitiv și contribuie la formarea de tumori. Acestea fac acest lucru prin prelungirea vieții celulelor cu mult peste durata de viață normală (homeostatică).

Un bun exemplu de mecanism de feedback pozitiv ar fi furtuna de citokine. Este cunoscut faptul că boala coronavirusului produce acest efect inflamator excesiv la om. Producția excesivă de citokine ca răspuns inflamator la virus poate duce la insuficiență multiorganică și deces. O creștere progresivă a efectelor inflamatorii care aduce organismul și mai mult în afara normei homeostatice face ca acesta să fie un mecanism de feedback pozitiv.

Un exemplu de mecanism de feedback pozitiv mai „pozitiv” se găsește în timpul travaliului și al nașterii; în special producția de oxitocină în continuă creștere pe măsură ce bebelușul împinge pe colul uterin și se deplasează prin canalul de naștere. În acest caz, receptorii sunt celulele senzoriale din uter și din canalul de naștere; centrul de control este glanda pituitară. Glanda pituitară eliberează oxitocina ca un mesager chimic (hormon) care spune uterului (efector) să se contracte mai puternic. Atunci când organismul feminin este în homeostazie, uterul nu se contractă. Acesta este, prin urmare, un bun exemplu de buclă de feedback pozitiv.

Bibliografie

.