Definition

En återkopplingsmekanism är ett fysiologiskt regleringssystem som antingen återställer kroppen till ett normalt internt tillstånd (homeostas) eller, mer sällan, för ett internt system längre bort från homeostas. Det finns två mekanismer – negativa och positiva. Dessa verkar via nervbanor eller kemikalier, t.ex. hormoner, för att orsaka en stimulerande eller hämmande effekt. Återkopplingsmekanismer finns även i ekosystem.

Vad är en återkopplingsmekanism?

I biologin är en återkopplingsmekanism en fysiologisk slinga som för kroppen antingen mot eller bort från det normala, stabila tillståndet. Återkopplingsmekanismen, även kallad återkopplingsslinga, förstärker antingen en viss biologisk väg eller hämmar den. Dessa vägar leder oftast tillbaka kroppen till homeostas. Ett homeostatiskt tillstånd avser det stabila tillståndet i organismers inre miljö.

Både positiva och negativa återkopplingssystem kräver tre komponenter för att justera specifika fysiologiska vägar:

• Receptor: (eller sensor) tar emot information och skickar den till kontrollcentralen.
• Kontrollcentralen: (eller utvärderare) bearbetar receptorinformationen och stimulerar effektorn.
• Effektorn: utför en stimulerande eller hämmande effekt enligt kontrollcentrets instruktioner.

Signaler kan skickas via nervbanor (aktionspotentialer och neurotransmittorer) eller via kemiska signaler (vanligast är hormoner).

När vi talar om fysiologi diskuterar vi oftast homeostas inom olika system. Kroppen strävar efter att producera en konstant inre miljö. Den behöver denna stabilitet för att fungera optimalt.

Om vi blir skrämda av något ökar hjärtfrekvensen och blodet rusar till de vitala organen och musklerna för att förbereda oss på att fly. Vid en viss punkt måste kroppen återgå till homeostas. Det är ohälsosamt att förbli i detta upphetsade tillstånd under långa perioder. De flesta återkopplingsmekanismer – negativa sådana – arbetar för att föra kroppen tillbaka till homeostas.

Homeostas kan påverkas av många saker. Gifter i vår miljö, vad vi äter, vårt sinnestillstånd, hur friska vi är, sammansättningen av vårt DNA och effekterna av medicinering och fritidsdroger. Alla dessa kan påverka oss på cellulär nivå (receptor, kontrollcenter eller effektor) och orsaka avvikelser i återkopplingsmekanismerna.

Alternativt hittar vi också återkopplingsmekanismer i vår miljö. Ett ekosystem som stöder en kaninpopulation kan till exempel stödja tre rovfåglars kostbehov. Om den kaninpopulationen minskas avsevärt på grund av sjukdom kan den inte längre försörja lika många rovdjur. En eller två rovfåglar måste gå vidare för att hitta andra födokällor eller svälta. När kaninpopulationen återgår till det normala kan den återigen försörja flera rovfåglar. Om kaninpopulationen fortsätter att öka kan andra rovdjur flytta in i ekosystemet. I det här fallet är det mest hälsosamma förhållandet mellan rovdjur och bytesdjur likvärdigt med homeostas.

Öppna och slutna återkopplingsmekanismer

I en återkopplingsmekanism med öppna kretsar är de reglerande stegen relativt enkla. Inmatning från receptorer anländer till kontrollcentret och efter bearbetning skickar det specifika kontrollcentret signaler till associerade effektorceller.

I en mekanism med sluten krets är ytterligare en struktur verksam. Denna mäter kontinuerligt effektorutgången och förmedlar denna information direkt till receptorenheterna. Den extra strukturen – komparatorn – kommer därför att påverka vilken information som kommer fram till kontrollcentret.

Ett bra exempel på en återkopplingsmekanism med sluten loop är däggdjurens termoreglering. Vid reglering av kroppstemperaturen finns komparatorn i hypotalamus. Som komparator har detta lilla område fått veta vad den normala kroppstemperaturen ska vara.

Thermorreceptorer i hela kroppen sänder kontinuerligt information via nervimpulser till ett annat område i hypotalamus. Detta område är det termoreglerande kontrollcentret. Receptorerna upptäcker förändringar i temperaturvariabler. När avvikelser upptäcks i dessa variabler skickar receptorer i den delen av kroppen varningssignaler till hypotalamus. Kontrollcentret skickar nerv- och/eller kemiska signaler till de termoreglerande effektorerna. Dessa effektorer finns främst i sköldkörteln, blodkärlens väggar och skelettmuskulaturen.

När vi fryser mycket blir vi bleka och ryser. Vår ämnesomsättning går snabbare (stimulerad av sköldkörtelhormon) eftersom högre ämnesomsättningshastigheter producerar extra värme. Blodkärlen nära huden drar ihop sig för att minska värmeförlusten till den yttre miljön. Hårstråna på våra armar reser sig upp och lägger till ett extra isoleringslager. Muskelsammandragningar genererar ytterligare värme. Allt detta är resultatet av en negativ återkopplingsmekanism; kroppen försöker återgå till ett målvärde på 37 °C (98,6 °F).

När vi har det för varmt blir vi rodnande och slöa, och vi svettas. Perifera blodkärl vidgas för att öka sin yta och på så sätt tillåta att kroppsvärme förloras till den yttre miljön. Lägre nivåer av sköldkörtelhormon produceras som sänker ämnesomsättningen och minskar värmeproduktionen inne i kroppen. Svett kyler kroppen. Detta är också en negativ återkopplingsmekanism som försöker få tillbaka kroppstemperaturen till en normal nivå.

Vi vill inte ha ett positivt återkopplingssystem för temperaturkontroll. Att avsiktligt föra kroppens kärntemperatur utanför det homeostatiska området kan vara dödligt. Det enda exemplet på en positiv återkopplingsmekanism när det gäller termoreglering inträffar vid extremt hög feber eller när vi under långa perioder utsätts för utomhustemperaturer på 109°F och mer. Sådana höga temperaturer höjer ämnesomsättningen snarare än att sänka den, vilket ytterligare ökar den inre värmeproduktionen. Vid denna tidpunkt fortsätter kroppsvärmen att stiga tills en dödlig temperatur uppnås – omkring 113°F.

Och utan komparatorn skulle ovanstående termoregleringsmekanism vara en öppen kretsloppsmekanism. Komparatorn gör dock termoregleringen till ett slutet system. Istället för att enbart förlita sig på termoreceptorer jämför en annan del av hypotalamus ständigt receptor- och effektordata med sina programmerade värden för normal kroppstemperatur. Detta innebär att kroppstemperaturen alltid övervakas – kroppens mest kritiska system är trots allt beroende av den.

Positiv återkopplingsmekanism

En positiv återkopplingsmekanism-slinga är en väg som orsakar en effekt som går långt utöver homeostasens tillstånd. Den förstärker en del av ett fysiologiskt system som redan befinner sig utanför det homeostatiska området. Det finns mycket få positiva slingor i jämförelse med negativa slingor.

Positiva återkopplingsslingor, precis som de negativa formerna, kräver kombinationen av receptor, kontrollcentrum och effektor. De försöker föra kroppen längre bort från homeostasens stabila tillstånd. Exempel på positiva återkopplingsmekanismer finns senare.

Negativa återkopplingsmekanismer

En negativ återkopplingsmekanism kan inte ses som motsatsen till en positiv. En positiv återkopplingsmekanism för kroppen ytterligare utanför homeostasens område. Detta kan vara en stimulerande eller hämmande effekt. Det viktiga här är att riktningen på effekten rör sig bort från det homeostatiska området.

Den negativa återkopplingsmekanismen för å andra sidan kroppen tillbaka till det homeostatiska området. Den är därför vanligare än en positiv återkopplingsslinga. Återigen kan både stimulerande och hämmande effekter genomföras för att föra kroppen tillbaka till ett normalt tillstånd. När vi till exempel är för varma produceras mindre sköldkörtelhormon. Sköldkörtelhormonproduktionen hämmas för att få kroppstemperaturen tillbaka till det normala som en del av en negativ återkopplingsmekanism. När vi är för kalla stimuleras produktionen av sköldkörtelhormon för att öka kroppstemperaturen – och detta är också en negativ återkopplingsmekanism.

Exempel på återkopplingsmekanismer

Det finns tusentals exempel på återkopplingsmekanismer att välja mellan i biologins värld. Vi har redan tittat på termoreglering och ett enkelt ekosystem. De flesta är exempel på negativa återkopplingsmekanismer eftersom detta är den vanligaste typen.

Tänk på vilken del av kroppen som helst och du kommer att kunna hitta en återkopplingsslinga i spelet. Blodsockerregleringen hos en frisk individ styrs av två hormoner:

• Insulin: minskar blodglukoskoncentrationen
• Glukagon: ökar blodglukoskoncentrationen

När vi äter upptäcks högre blodglukosnivåer av betaceller (receptorer) i bukspottkörteln. Bukspottkörteln (kontrollcentrum) producerar insulin. Denna hormonbudbärare talar om för effektorn (levern) att lagra överflödigt blodglukos i form av glykogen – ett exempel på en negativ återkopplingsslinga som återför högt blodglukos till normala nivåer.

Om vi inte har ätit på länge blir blodglukosvärdet lägre än normalvärdet. Alfaceller (receptorer) i bukspottkörteln sänder signaler som bearbetas i andra delar av bukspottkörteln (kontrollcentrum). Ett beslut fattas om att skicka en kemisk signal i form av glukagon till levern (effektor). Levern reagerar genom att bryta ner sina glukagonlager och tillverka glukos. Detta gör att en låg blodglukosmätning återgår till normala nivåer. Ännu en negativ återkopplingsslinga.

Positiva återkopplingsmekanismer är ofta skadliga eftersom de avsiktligt för den inre miljön ännu längre bort från homeostas. Cancerceller producerar proteiner som initierar positiva återkopplingsslingor och bidrar till bildandet av tumörer. De gör detta genom att förlänga cellernas livslängd långt utöver deras normala (homeostatiska) livslängd.

Ett bra exempel på en positiv återkopplingsmekanism skulle vara cytokinstormen. Coronavirus-sjukdomen är känd för att ge upphov till denna överdrivna inflammatoriska effekt hos människor. Överdriven cytokinproduktion som ett inflammatoriskt svar på viruset kan leda till multiorgansvikt och död. En progressiv ökning av inflammatoriska effekter som för kroppen ännu längre utanför den homeostatiska normen gör detta till en positiv återkopplingsmekanism.

Ett mer ”positivt” exempel på en positiv återkopplingsmekanism finns vid värkarbete och förlossning, i synnerhet den kontinuerligt ökande produktionen av oxytocin när barnet trycker på livmoderhalsen och färdas genom förlossningskanalen. Receptorerna i detta fall är känselceller i livmodern och förlossningskanalen, och kontrollcentralen är hypofysen. Hypofysen frisätter oxytocin som en kemisk budbärare (hormon) som talar om för livmodern (effektorn) att dra ihop sig starkare. När kvinnokroppen är i homeostas drar livmodern sig inte ihop. Detta är därför ett bra exempel på en positiv återkopplingsslinga.

Bibliografi

.