Гомеостаз и обратная связь

Организующая идея физиологии: как животные поддерживают стабильность условий своей внутренней среды в условиях постоянных возмущений, используя петли обратной связи, состоящие из датчиков, контроллеров и эффекторов.

Definition

Гомеостаз — это поддержание относительно стабильной внутренней среды, несмотря на внешние и внутренние возмущения, достигаемое с помощью систем управления — главным образом петель отрицательной обратной связи, связывающих датчики, интегрирующие центры и эффекторы, — которые обнаруживают отклонения регулируемых переменных от заданных значений и действуют для их устранения.

Scope

Эта тема охватывает принцип гомеостаза и системы управления, которые его обеспечивают: концепцию внутренней среды и ее регуляции, структуру петель отрицательной и положительной обратной связи, заданные значения и их корректировку, а также интеграцию нервных и эндокринных эффекторов. Она рассматривает гомеостаз как объединяющую основу физиологии и исследует, как стабилизируются регулируемые переменные, такие как температура, газы крови, ионы и питательные вещества. Охват является сравнительным и концептуальным.

Core questions

• Что означает поддержание постоянной внутренней среды?
• Как устроена петля обратной связи и почему отрицательная обратная связь так распространена?
• Какова роль заданных значений и могут ли они меняться?
• Когда положительная обратная связь полезна, несмотря на ее дестабилизирующую тенденцию?

Key theories

Гомеостаз и постоянство внутренней среды

Животные регулируют состав своих жидкостей организма и другие внутренние условия, чтобы поддерживать их почти постоянными, идея, уходящая корнями во внутреннюю среду Бернара и названная гомеостазом Кэнноном, которая служит организующим принципом физиологии.

Управление по принципу отрицательной обратной связи

Регулируемые переменные стабилизируются петлями отрицательной обратной связи, в которых датчики обнаруживают отклонение от заданного значения, а эффекторы действуют для его устранения, в то время как случайная положительная обратная связь приводит к завершению самоамплифицирующихся процессов.

Mechanisms

Гомеостатическая система управления содержит датчик, который отслеживает регулируемую переменную, интегрирующий центр, который сравнивает ее с заданным значением, и эффекторы, которые действуют для исправления отклонений. В отрицательной обратной связи, доминирующем режиме, любое изменение переменной вызывает реакции, которые противодействуют ему, возвращая его к заданному значению и удерживая его в узком диапазоне; примеры включают контроль температуры тела, газов крови, ионов, уровня сахара в крови и водного баланса, часто посредством комбинированных нервных и эндокринных эффекторов. Заданные значения не являются фиксированными: они могут быть сброшены, например, когда заданное значение температуры повышается при лихорадке или смещается при акклиматизации. Положительная обратная связь, при которой ответ усиливает исходное изменение, используется экономно для запуска таких процессов, как нервные импульсы или события, которые должны быстро завершиться. Избыточность и интеграция множественных петель придают физиологической регуляции ее стабильность.

Clinical relevance

Гомеостатическая и обратная связь лежат в основе интерпретации физиологической регуляции и того, как ее нарушение приводит к расстройству внутренней среды. Эта запись является образовательным справочным материалом и не предоставляет медицинских рекомендаций.

History

Концепция постоянства внутренней среды Клода Бернара, разработанная в XIX веке, была развита Уолтером Кэнноном, который ввел термин «гомеостаз» в 1932 году, а идеи теории управления позднее формализовали регуляцию обратной связи, сделав гомеостаз центральным организующим принципом современной физиологии.

Key figures

• Claude Bernard
• Walter Cannon
• Knut Schmidt-Nielsen
• Arthur Guyton

Seminal works

• cannon1932
• hill2016
• randall2002

Frequently asked questions

Почему отрицательная обратная связь так важна в организме?

Отрицательная обратная связь автоматически противодействует любому отклонению регулируемой переменной от ее заданного значения, что поддерживает стабильность таких условий, как температура, уровень сахара в крови и уровень ионов, без постоянного внешнего управления.

Использует ли организм когда-либо положительную обратную связь?

Да, но экономно. Положительная обратная связь усиливает изменение и используется для запуска процессов, которые должны быстро завершиться, таких как фаза нарастания нервного импульса, а не для поддержания стабильности.