Гомеостаз простыми словами – как наводится баланс в организме человека?

Всем привет! В эту пятницу мы продолжим свое вещание в рамках цикла “Подтяни матчасть”.  И сегодняшняя тема к рассмотрению – гомеостаз в организме человека. По прочтении вы узнаете, что такое гомеостаз простыми словами, какова его механика и реальные примеры работы внутри нас.

Итак, рассаживайтесь поудобней, будет интересно!

Гомеостаз простыми словами: все, что надо знать

Уже четвертую пятницу кряду мы встречаемся с вами, чтобы рассказать чуть больше о том, как мы устроены. Уже разобрали темы: [уровни организации], [функции жизни ], [потребности человека] - разумеется,  с уклоном в спорт и ЗОЖ. Если вы подключились к обсуждению только сейчас, рекомендуем сначала ознакомиться с предыдущими материалами, чтобы “войти” в тему. Мы же идем далее и сегодня подробно поговорим про гомеостаз. Ранее мы упоминали о нем и давали его определение. Но, поскольку это один из самых важных процессов внутри нас, мы уделим ему персональное внимание и чуть больше времени. Поехали!

Примечание:
Для лучшего усвоения материала все дальнейшее повествование будет разбито на подглавы

Что такое гомеостаз в теории

Вернуть всё на круги своя – вот основная задача гомеостаза. Если “качели” организма качнулись влево, их надо возвратить обратно, в нейтральное положение. Этим и занимается организм - постоянно контролирует свои внутренние условия: от температуры тела до кровяного давления, от уровня сахара в крови до уровня определенных питательных веществ.

Многие факторы влияют на пригодность биологических жидкостей для поддержания жизни.

К ним относятся:

• концентрации кислорода (O2) и диоксида углерода (CO2);
• рН внутренней среды;
• концентрации питательных веществ и отходов;
• концентрация соли и других электролитов;
• объем и давление внеклеточной жидкости;
• температура тела;
• уровень глюкозы в крови.

Каждое физиологическое состояние имеет конкретную уставку. Уставка - это физиологическое значение, вокруг которого колеблется его нормальный диапазон. Нормальный диапазон - ограниченный набор значений, который является оптимальным для здоровья и стабильности организма. Например, заданное значение для нормальной температуры человеческого тела составляет приблизительно 37 °C. Однако данный параметр имеет тенденцию колебаться в пределах нормального диапазона на несколько градусов выше и ниже этой точки. Центры контроля в головном мозге и других частях тела контролируют и реагируют на отклонения от гомеостаза с помощью отрицательной обратной связи. Отрицательная обратная связь - это механизм, который устраняет отклонение от заданного значения:

Отрицательная обратная связь поддерживает параметры тела в пределах их нормального диапазона. Поддержание гомеостаза отрицательной обратной связью происходит во всем теле постоянно. Поэтому понятие отрицательной обратной связи является фундаментальным для понимания физиологии человека.

Гомеостаз: кто за что отвечает и каким образом

Печень, поджелудочная железа, почки, мозг, вегетативная нервная и эндокринная системы помогают поддерживать гомеостаз. Печень отвечает за метаболизм токсических веществ и с помощью сигналов от поджелудочной железы поддерживает углеводный обмен. Она также помогает регулировать липидный обмен и является основным местом производства холестерина.

Почки отвечают за регулирование уровня воды в крови, повторное поглощение веществ в крови, поддержание уровня солей и ионов в крови, регулирование рН крови и выведение мочевины и других отходов. Гипоталамус участвует в регуляции температуры тела, частоты сердечных сокращений, кровяного давления и циркадных ритмов (включая циклы сна и бодрствования).

На гомеостаз могут влиять как внутренние, так и  внешние условия, в том числе условия окружающей среды (внешние факторы), и он поддерживается различными механизмами. Все гомеостатические механизмы контроля имеют как минимум три взаимозависимых компонента для регулируемой переменной:

1. сенсор/рецептор, который обнаруживает изменения во внутренней или внешней среде. Примером являются периферические хеморецепторы, которые обнаруживают изменения pH крови;
2. интегрирующий центр (центр управления). Получает информацию от сенсоров и инициирует ответ для поддержания гомеостаза. Наиболее важным примером является гипоталамус - область мозга, которая контролирует все процессы в организме;
3. эффектор. Им является любой орган или ткань, которые получают информацию от интегрирующего центра и действуют, чтобы вызвать изменения, необходимые для поддержания гомеостаза. Одним из примеров является почка, которая удерживает воду, если артериальное давление слишком низкое.

Сенсоры, интегрирующий центр и эффекторы являются основными компонентами каждого гомеостатического отклика. Положительные и отрицательные связи - продвинутые механизмы, которые позволяют этим компонентам поддерживать гомеостаз для более сложных физиологических процессов.

Что такое отрицательная обратная связь

Система отрицательной обратной связи имеет три основных компонента.

Их мы перечисляли выше:

• сенсор является компонентом системы обратной связи, которая контролирует физиологическую ценность. Это значение сообщается в центр управления;
• центр управления - это компонент системы обратной связи, который сравнивает значение с нормальным диапазоном. Если значение слишком сильно отклоняется от заданного значения, тогда центр управления активирует эффектор;
• эффектор - это компонент в системе обратной связи, который вызывает изменение, чтобы изменить ситуацию и вернуть значение в нормальный диапазон.

На рисунке показан цикл отрицательной обратной связи. В петле отрицательной обратной связи стимул - отклонение от заданного значения - сопротивляется посредством физиологического процесса, который возвращает тело в гомеостаз. Левый рисунок: петля отрицательной обратной связи состоит из четырех основных частей. Правый рисунок: температура тела регулируется отрицательной обратной связью.

Чтобы привести систему в движение, стимул должен вывести физиологический параметр за пределы его нормального диапазона, за пределы гомеостаза. Этот стимул «слышен» определенным сенсором. Например, при контроле уровня глюкозы в крови специфические эндокринные клетки поджелудочной железы обнаруживают избыток глюкозы (стимул) в кровотоке. Эти бета-клетки поджелудочной железы реагируют на повышенный уровень глюкозы в крови, высвобождая гормон инсулин в кровоток. Инсулин дает сигнал волокнам скелетных мышц, жировым клеткам и клеткам печени поглощать избыточную глюкозу, выводя ее из кровотока. Когда концентрация глюкозы в кровотоке падает, снижение концентрации - фактическая отрицательная обратная связь - обнаруживается панкреатическими альфа-клетками, высвобождение инсулина прекращается. Это предотвращает падение уровня сахара в крови ниже нормального уровня.

У людей есть похожая система обратной связи по регулированию температуры, которая работает, способствуя либо потере тепла, либо увеличению тепла. Когда центр регулирования температуры мозга получает данные от датчиков, указывающие, что температура тела превышает его нормальный диапазон, он стимулирует группу клеток мозга, называемых «центром потери тепла». Эта стимуляция имеет три основных эффекта:

1. Кровеносные сосуды в коже начинают расширяться, позволяя большему количеству крови из ядра тела течь к поверхности кожи и отходить теплу в окружающую среду;
2. По мере увеличения притока крови к коже активизируются потовые железы, чтобы увеличить  выработку пота. При испарении с поверхности кожи в окружающий воздух он поглощает тепло;
3. Глубина дыхания увеличивается, человек может дышать через открытый рот, а не через носовые проходы. Это еще больше увеличивает потерю тепла из легких.

Напротив, активация центра теплообмена мозга под воздействием холода уменьшает приток крови к коже. Кровь, возвращающаяся из конечностей, направляется в сеть глубоких вен. Такое расположение задерживает тепло ближе к сердечнику корпуса и ограничивает потерю тепла. Если потеря тепла значительна, мозг вызывает увеличение случайных сигналов к скелетным мышцам, заставляя их сокращаться и вызывая дрожь. Сокращения мышц от дрожи выделяют тепло при использовании АТФ.

Мозг запускает щитовидную железу в эндокринной системе, чтобы выпустить гормон щитовидной железы, который увеличивает метаболическую активность и выработку тепла в клетках всего тела. Мозг также сигнализирует надпочечникам о выделении адреналина - гормона, который вызывает расщепление гликогена в глюкозу, которая может использоваться в качестве источника энергии. Распад гликогена на глюкозу также приводит к увеличению метаболизма и выработке тепла.

Что такое положительная обратная связь

Положительная обратная связь - это механизм, в котором активированный компонент усиливает или дополнительно усиливает процесс, который вызвал его сам, чтобы создать еще более сильный отклик. Механизмы положительной обратной связи предназначены для ускорения или повышения отдачи, создаваемой стимулом, который уже был активирован. Механизмы положительной обратной связи предназначены для выталкивания уровней из нормальных диапазонов и не используются так часто в гомеостатических реакциях. Чтобы добиться положительной обратной связи, серия событий инициирует каскадный процесс, который строится для усиления эффекта стимула.

Например, когда человек получает травму (порез), его кровь сгустится в ответ на повреждение участка кожи. Свертывание происходит из-за поврежденного кровеносного сосуда. В ответ на этот стимул организм будет привлекать тромбоциты к месту пореза. По мере того, как тромбоциты накапливаются на участке, возникает положительная обратная связь, когда они выделяют химические вещества, стимулируя привлечение большего количества тромбоцитов к поврежденному участку. Эта положительная обратная связь помогает ускорить процесс заживления ран.

Примечание:

Другим примером положительной ОС является выработка грудного молока в ответ на сосание ребенка. Сосание стимулирует молочные железы производить больше молока

Теперь рассмотрим конкретные примеры, в которых проявляет себя гомеостаз.

Гомеостаз: примеры регуляции

Организм всегда стремится вернуться в равновесие. И вот как это работает на примерах.

№1. Уровень сахара

Глюкоза в крови регулируется двумя гормонами - инсулином и глюкагоном, которые высвобождаются из поджелудочной железы. Когда уровень сахара в крови становится слишком высоким, инсулин выделяется из поджелудочной железы. Глюкоза поглощается клетками (особенно печенью и мышечной тканью), где она и хранится в виде гликогена. Это приводит к снижению уровня сахара в крови. С другой стороны, когда уровень сахара в крови становится слишком низким, поджелудочная железа выделяет глюкагон. Это способствует расщеплению гликогена на мономеры глюкозы в клетках печени. Затем клетки печени высвобождают свободную глюкозу обратно в кровоток и восстанавливают уровень сахара в крови.

Неправильное функционирование глюкагона приводит к гипогликемии - состоянию, при котором уровень сахара в крови слишком низок. Если не принять срочные меры, может наступить кома и смерть. Неправильная функция инсулина приводит к гипергликемии (повышению уровня сахара в крови) - диабету.

№2. Уровень железа

Контроль над этим необходимым, но потенциально токсичным веществом, является важной частью жизнедеятельности организма. Фактически, большая часть железа человеческого организма содержится в белке гемоглобина эритроцитов, где он помогает связывать и транспортировать кислород для клеточного дыхания. Дефицит железа является наиболее распространенной причиной анемии.

Когда уровень железа в организме слишком низок, чувствительный к железу гормон гепсидин снижается в эпителии двенадцатиперстной кишки. Это вызывает увеличение активности ферропортина - железоселективного белкового канала, встроенного в мембрану кишечных клеток. Активация этого канала стимулирует усвоение железа в пищеварительной системе. Избыток железа будет стимулировать обратный процесс.

№3. Осморегуляция

Это активная регуляция осмотического давления жидкостей организма для поддержания гомеостаза содержания воды в организме. Оно удерживает жидкости организма от чрезмерного разбавления или концентрации. Осмотическое давление - мера склонности воды переходить в один раствор из другого путем осмоса. Чем выше осмотическое давление раствора, тем больше воды стремится попасть в раствор. Почки удаляют избыточные ионы Na+, K + и Ca2+ из крови, что влияет на осмотическое давление. Затем они выводятся вместе с мочой. Почки также важны для поддержания уровня кислотности крови, так что ее pH остается близким к нейтральной точке.

№4. Регуляция количества воды в организме

Почки отвечают за общий объем воды в организме. Антидиуретический гормон (АДГ), также известный как вазопрессин и альдостерон, играют важную роль в регуляции функции почек. Если в организме наблюдается дефицит жидкости, происходит увеличение секреции АДГ из гипофиза. Этот гормон попадает в дистальные канальцы, вызывая задержку жидкости и уменьшение выхода мочи.

Точно так же гормон альдостерон, минералкортикоидный гормон со стероидной основой, выделяется из коры надпочечников. Альдостерон заставляет почки реабсорбировать Na+. Поскольку Na+ реабсорбируется,  реабсорбируется и вода. Таким образом, задержка Na+ также приводит к задержке жидкости. И наоборот: если уровни жидкости чрезмерны, секреция альдостерона подавляется, что приводит к меньшей задержке жидкости почками и последующему увеличению объема производимой мочи:

И таких примеров гомеостаза можно привести множество. У вас не получится законными методами обмануть свой организм, не получится набрать натурально мышцы быстрее, чем это заложено природой. Не получится сбросить 10 кг за 2 недели. Вы не сможете встать с офисного стула и сразу же пробежать марафон. Организм не проведешь: гомеостаз всегда стоит на страже нашего внутреннего благополучия. И если вы попытаетесь перехитрить свой организм, он отреагирует на это незамедлительно. Собственно, с теорией на сегодня все. Подытожим.

Послесловие

Четвертая статья цикла - "гомеостаз простыми словами" уходит в архив. Но мы не расстраиваемся, потому что это только начало. Нас ждет еще много нудных интересных статей. Ждем-с! А пока - пока!

Cкачать статью в pdf>>