מֵידָע

33.3: הומאוסטזיס - ביולוגיה

33.3: הומאוסטזיס - ביולוגיה


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

33.3: הומאוסטזיס

הומאוסטזיס

הומאוסטזיס הוא תהליך של אורגניזם לשמירה על סביבה פנימית יציבה המתאימה לקיום חיים. המילה הומאוסטזיס נובע מיוונית, עם בית כלומר "דומה", ו עִמָדוֹן, כלומר "יציב". כאשר משתמשים בו כשם תואר, הוא הומיאוסטטי.

בדרך כלל אנו חושבים על הומאוסטזיס במונחים של הגוף כולו, אך גם מערכות בודדות - כלומר קבוצות של איברים - שומרות על תנאים הומאוסטטיים. עם זאת, חוסר איזון ממושך במערכת אחת בלבד יכול להשפיע לרעה על ההומאוסטזיס של האורגניזם כולו.


33.3 נוגדנים

בחלק זה, תחקור את השאלות הבאות:

  • מהי תגובתיות צולבת?
  • מהו המבנה הבסיסי של נוגדן, ומה תפקידם של נוגדנים?
  • כיצד נוצרים נוגדנים?

חיבור לקורסי AP ®

חלק גדול מהמידע בסעיף זה אינו בגדר AP ® . נוגדנים, הידוע גם בשם אימונוגלובולינים, הם חלבונים המיוצרים ומופרשים על ידי תאי פלזמה (לימפוציטים מבדילים B) המתווכים את התגובה החיסונית ההומורלית. נוגדנים הם חלבונים בצורת Y המורכבים מארבעה פוליפפטידים עם לפחות שני אתרי קישור לאנטיגן ספציפי. האזורים שבהם האנטיגן מזוהה על הנוגדן הם תחומים משתנים. עבור AP ® , אינך צריך לדעת את המחלקות השונות של נוגדנים או את המבנה המולקולרי של נוגדן ספציפי. מה שחשוב להבין הוא שהנוגדנים הם ספציפיים לאנטיגן. כאשר נוגדנים קושרים אנטיגנים, הם יכולים לנטרל פתוגנים, לסמן אותם לפאגוציטוזה או להפעיל את מפל המשלים. מכיוון שנוגדנים מופרשים יכולים להישאר במחזור במשך שנים רבות, חשיפה משנית לפתוגן גורמת לתגובה חיסונית מהירה יותר. נוגדנים מופיעים בדם, בהפרשות קיבה וריר ובחלב אם, ובכך מספקים חסינות פסיבית לתינוק.

המידע המוצג והדוגמאות המודגשות בסעיף תומכים במושגים המתוארים ב-Big Idea 2 וב-Big Idea 4 של מסגרת הלימודים של AP ® Biology. מטרות הלמידה של AP ® המפורטות במסגרת הלימודים מספקות בסיס שקוף לקורס AP ® ביולוגיה, חווית מעבדה מבוססת חקירה, פעילויות הדרכה ושאלות בחינות AP ®. יעד למידה ממזג תוכן נדרש עם אחת או יותר משבעת הפרקטיקות המדעיות.

רעיון גדול 2 מערכות ביולוגיות מנצלות אנרגיה חופשית ואבני בניין מולקולריות כדי לצמוח, להתרבות ולשמור על הומאוסטזיס דינאמי.
הבנה מתמשכת 2.D צמיחה והומאוסטזיס דינמי של מערכת ביולוגית מושפעים משינויים בסביבת המערכת.
ידע חיוני 2.D.4 לצמחים ולבעלי חיים יש מגוון של הגנות כימיות מפני זיהומים המשפיעים על הומאוסטזיס דינמי.
תרגול מדע 1.1 התלמיד יכול ליצור ייצוגים ומודלים של תופעות ומערכות טבעיות או מעשה ידי אדם בתחום.
תרגול מדע 1.2 התלמיד יכול לתאר ייצוגים ומודלים של תופעות ומערכות טבעיות או מעשה ידי אדם בתחום.
מטרת הלמידה 2.30 התלמיד יכול ליצור ייצוגים או מודלים לתיאור הגנות חיסוניות לא ספציפיות בבעלי חיים.
רעיון גדול 4 מערכות ביולוגיות מקיימות אינטראקציה, ולמערכות אלו ולאינטראקציות ביניהן יש תכונות מורכבות.
הבנה מתמשכת 4.C מגוון המתרחש באופן טבעי בין ובין רכיבים בתוך מערכות ביולוגיות משפיע על אינטראקציות עם הסביבה.
ידע חיוני 4.ג.1 שונות ביחידות מולקולריות מספקת לתאים מגוון רחב יותר של פונקציות.
תרגול מדע 6.2 התלמיד יכול לבנות הסברים לתופעות על סמך ראיות שהופקו באמצעות פרקטיקות מדעיות.
מטרת הלמידה 4.22 התלמיד מסוגל לבנות הסברים על סמך עדויות כיצד שונות ביחידות מולקולריות מספקת לתאים מגוון רחב יותר של פונקציות.

מבנה נוגדנים

מולקולת נוגדנים מורכבת מארבעה פוליפפטידים: שתי שרשראות כבדות זהות (יחידות פפטיד גדולות) הקשורות זו לזו באופן חלקי בצורת "Y", אשר מוקפות בשתי שרשראות קלות זהות (יחידות פפטיד קטנות), כפי שמוצג באיור. 33.22. קשרים בין חומצות האמינו הציסטאין במולקולת הנוגדנים מצמידים את הפוליפפטידים זה לזה. האזורים בהם האנטיגן מזוהה על הנוגדן הם תחומים משתנים ובסיס הנוגדנים מורכב מתחומים קבועים.

בתאי קו B נבט, האזור המשתנה של הגן בשרשרת הקלה כולל 40 קטעים משתנים (V) וחמישה (J) מחברים. אנזים הנקרא DNA רקומבינאז מוציא באופן אקראי את רוב הקטעים הללו מהגן, ומחלק קטע V אחד לקטע J אחד. במהלך עיבוד RNA, כל קטע ה- V ו- J מלבד אחד נחלקים. ריקומבינציה וחבור עשויים לגרום ליותר מ-10 6 שילובי VJ אפשריים. כתוצאה מכך, לכל תא B מובחן בגוף האדם יש בדרך כלל שרשרת משתנה ייחודית. התחום הקבוע, שאינו קושר נוגדנים, זהה לכל הנוגדנים.

בדומה ל-TCRs ו-BCRs, מגוון נוגדנים מיוצר על ידי מוטציה ושילוב מחדש של כ-300 מקטעי גנים שונים המקודדים את התחומים המשתנים של השרשרת הקלה והכבדה בתאי מבשר שנועדו להפוך לתאי B. התחומים המשתנים מהשרשראות הכבדות והקלות יוצרים אינטראקציה ויוצרים את אתר הקישור שדרכו נוגדן יכול לקשור אפיטופ ספציפי על אנטיגן. המספרים של תחומים קבועים חוזרים במחלקות Ig זהים עבור כל הנוגדנים התואמים למחלקה ספציפית. נוגדנים דומים מבחינה מבנית למרכיב החוץ-תאי של ה-BCR, וניתן להמחיש את הבשלת תאי B לתאי פלזמה במונחים פשוטים כאשר התא רוכש את היכולת להפריש את החלק החוץ-תאי של ה-BCR שלו בכמויות גדולות.

שיעורי נוגדנים

ניתן לחלק נוגדנים לחמש סוגים - IgM, IgG, IgA, IgD, IgE - על סמך תכונותיהם הפיזיוכימיות, המבניות והאימונולוגיות. ל-IgG, המהווים כ-80 אחוז מכלל הנוגדנים, יש שרשראות כבדות המורכבות מתחום משתנה אחד ושלושה תחומים קבועים זהים. ל-IgA ול-IgD יש גם שלושה תחומים קבועים לשרשרת כבדה, ואילו ל-IgM ול-IgE יש ארבעה תחומים קבועים לכל שרשרת כבדה. התחום המשתנה קובע את סגוליות הקישור והתחום הקבוע של השרשרת הכבדה קובע את מנגנון הפעולה האימונולוגי של קבוצת הנוגדנים המקבילה. ייתכן שלשני נוגדנים יהיו אותה סגולות מחייבות אך להיות במחלקות שונות ולכן, להיות מעורבים בתפקודים שונים.

לאחר יצירת הגנה אדפטיבית נגד פתוגן, בדרך כלל תאי פלזמה מפרישים לראשונה IgM לדם. BCR על תאי B נאיביים הם ממעמד IgM ומדי פעם IgD. מולקולות IgM מהוות כעשרה אחוזים מכלל הנוגדנים. לפני הפרשת נוגדנים, תאי פלזמה מרכיבים מולקולות IgM לפנטמרים (חמישה נוגדנים בודדים) המקושרים באמצעות שרשרת מצטרפת (J), כפי שמוצג באיור 33.23. סידור הפנטמר אומר שמקרומולקולות אלו יכולות לקשור עשרה אנטיגנים זהים. עם זאת, מולקולות IgM המשתחררות בשלב מוקדם של התגובה החיסונית האדפטיבית אינן נקשרות לאנטיגנים ביציבות כמו IgGs, שהם אחד מסוגי הנוגדנים האפשריים המופרשים בכמויות גדולות בחשיפה חוזרת לאותו פתוגן. איור 33.23 מסכם את התכונות של אימונוגלובולינים וממחיש את המבנים הבסיסיים שלהם.

IgA מאכלסים את הרוק, הדמעות, חלב האם והפרשות הליחה של מערכת העיכול, הנשימה והגניטורינריה. ביחד, נוזלי הגוף הללו מצפים ומגנים על הרירית הנרחבת (4000 רגל מרובע בבני אדם). המספר הכולל של מולקולות IgA בהפרשות הגוף הללו גדול ממספר מולקולות IgG בסרום הדם. כמות קטנה של IgA מופרשת לסרום גם בצורה מונומרית. מנגד, חלק מה- IgM מופרש לנוזלי הגוף של הרירית. בדומה ל-IgM, מולקולות IgA מופרשות כמבנים פולימריים הקשורים בשרשרת J. עם זאת, IgA מופרשים בעיקר כמולקולות דימריות, לא כפנטמרים.

IgE קיים בסרום בכמויות קטנות ומתאפיין בצורה הטובה ביותר בתפקידו כמתווך אלרגיה. IgD קיים גם בכמויות קטנות. בדומה ל- IgM, BCR ממעמד IgD נמצאים על פני השטח של תאי B נאיביים. מחלקה זו תומכת בזיהוי אנטיגן ובהבשלה של תאי B לתאי פלזמה.

פונקציות נוגדנים

תאי פלזמה מובחנים הם שחקנים מכריעים בתגובה ההומורלית, והנוגדנים שהם מפרישים הם משמעותיים במיוחד כנגד פתוגנים ותא רעלים. נוגדנים מסתובבים בחופשיות ופועלים באופן בלתי תלוי בתאי הפלזמה. ניתן להעביר נוגדנים מאדם אחד למשנהו כדי להגן באופן זמני מפני מחלות זיהומיות. לדוגמה, אדם שהביא לאחרונה תגובה חיסונית מוצלחת כנגד גורם מחלה מסוים יכול לתרום דם לנמען שאינו חיסון ולהעניק חסינות זמנית באמצעות נוגדנים בסרום הדם של התורם. תופעה זו נקראת חסינות פסיבית זה גם מתרחש באופן טבעי במהלך הנקה, מה שהופך תינוקות יונקים לעמידות גבוהה בפני זיהומים במהלך החודשים הראשונים לחייהם.

נוגדנים מצפים פתוגנים חוץ-תאיים ומנטרלים אותם, כפי שמוצג באיור 33.24, על ידי חסימת אתרי מפתח על הפתוגן המשפרים את הזיהומים שלהם (כגון קולטנים ה"מעגנים" פתוגנים על תאי מארח). נטרול נוגדנים יכול למנוע מפתוגנים להיכנס ולהדביק תאי מארח, בניגוד לגישה המתווכת ב-CTL של הרג תאים שכבר נגועים כדי למנוע התקדמות של זיהום מבוסס. לאחר מכן ניתן לסנן את הפתוגנים המצופים הנוגדנים המנוטרלים על ידי הטחול ולסלק אותם בשתן או בצואה.

נוגדנים מסמנים גם פתוגנים להרס על ידי תאים פגוציטים, כגון מקרופאגים או נויטרופילים, מכיוון שתאים פגוציטים נמשכים מאוד למקרומולקולות המורכבות בנוגדנים. שיפור פגוציטי על ידי נוגדנים נקרא אופסוניזציה. בתהליך הנקרא קיבוע משלים, IgM ו-IgG בסרום נקשרים לאנטיגנים ומספקים אתרי עגינה שאליהם יכולים להיקשר חלבונים משלימים עוקבים. השילוב של נוגדנים ותוסף משפר אופסוניזציה עוד יותר ומקדם ניקוי מהיר של פתוגנים.

זיקה, התלהבות ותגובתיות צולבת

לא כל הנוגדנים נקשרים באותה חוזק, ספציפיות ויציבות. למעשה, נוגדנים מציגים שונה זיקות (משיכה) בהתאם להשלמה המולקולרית בין מולקולות אנטיגן ונוגדנים, כפי שמוצג באיור 33.25. נוגדן בעל זיקה גבוהה יותר לאנטיגן מסוים ייקשר בצורה חזקה ויציבה יותר, וכך צפוי להציג הגנה מאתגרת יותר מפני הפתוגן המתאים לאנטיגן הספציפי.

התנאי נלהבות מתאר התקשרות על ידי מחלקות נוגדנים המופרשות כמבנים משולבים, רב-ערכיים (כגון IgM ו-IgA). למרות שאבידיות מודדת את עוצמת הקישור, בדיוק כפי שעושה זיקה, התלהבות היא לא רק סכום הזיקה של הנוגדנים במבנה מולטימרי. הנחישות תלויה במספר אתרי הקישור הזהים באנטיגן המתגלה, כמו גם בגורמים פיזיקליים וכימיים אחרים. בדרך כלל, נוגדנים מולטימרים, כגון IgM פנטמרי, מסווגים כבעלי זיקה נמוכה יותר מאשר נוגדנים מונומריים, אך נחישות גבוהה. בעיקרו של דבר, העובדה שנוגדנים מולטימריים יכולים לקשור אנטיגנים רבים בו זמנית מאזנת את חוזק הקישור הנמוך מעט יותר עבור כל אינטראקציה של נוגדן/אנטיגן.

נוגדנים המופרשים לאחר קישור לאפיטופ אחד באנטיגן עשויים להפגין תגובתיות צולבת לאפיטופים זהים או דומים באנטיגנים שונים. מכיוון שאפיטופ מתאים לאזור כל כך קטן (שטח הפנים של כארבע עד שש חומצות אמינו), יתכן שמקרומולקולות שונות מציגות את אותן הזהויות והמסלולים המולקולריים באזורים קצרים. תגובתיות צולבת מתאר מתי נוגדן נקשר לא לאנטיגן שעורר את הסינתזה והפרשתו, אלא לאנטיגן אחר.

תגובתיות צולבת יכולה להועיל אם אדם מפתח חסינות לכמה פתוגנים קשורים למרות שנחשף רק לאחד מהם או מחוסן. לדוגמה, תגובתיות צולבת של נוגדנים עשויה להתרחש כנגד מבני פני השטח הדומים של חיידקים גראם-שליליים שונים. לעומת זאת, נוגדנים המוגדלים כנגד רכיבים מולקולריים פתוגניים הדומים למולקולות עצמיות עלולים לסמן באופן שגוי את תאי המארח להשמדה ולגרום לנזק אוטואימוני. חולים המפתחים זאבת מערכתית מערכתית (SLE) בדרך כלל מפגינים נוגדנים המגיבים עם ה- DNA שלהם. ייתכן שהנוגדנים הללו הועלו בתחילה נגד חומצת הגרעין של מיקרואורגניזמים, אך מאוחר יותר הגיבו עם אנטיגנים עצמיים. תופעה זו נקראת גם חיקוי מולקולרי.

נוגדנים של מערכת החיסון הרירית

נוגדנים המסונתזים על ידי מערכת החיסון הרירית כוללים IgA ו- IgM. תאי B מופעלים מתמיינים לתאי פלזמה רירית המסנתזים ומפרישים IgA דימרי, ובמידה פחותה, IgM פנטמרי. IgA המופרש קיים בשפע בדמעות, ברוק, בחלב אם ובהפרשות של מערכת העיכול והדרכי הנשימה. הפרשת נוגדנים גורמת לתגובה הומורלית מקומית במשטחי אפיתל ומונעת הדבקה ברירית על ידי קישור ונטרול פתוגנים.


33.3: הומאוסטזיס - ביולוגיה

פרק 33
השוואת Chordates

בפרק זה, התלמידים יקראו על מגמות רחבות באבולוציה של האקורדטים וישוו את ההתאמות של קבוצות החיים העיקריות של אקורדיטים. הקישורים להלן מובילים למשאבים נוספים שיעזרו לך בפרק זה. אלה כוללים קישורים חמים לאתרי אינטרנט הקשורים לנושאים בפרק זה, פעילויות קח את זה לרשת המוזכרות בספר הלימוד שלך, מבחן עצמי שבו תוכל להשתמש כדי לבדוק את הידע שלך בפרק זה, וקישורי הוראה שמדריכים עשויים למצוא. שימושי עבור התלמידים שלהם.

סעיף 33-1: אבולוציה של Chordate
שורשיו של אילן היוחסין הקורדיאט באבות קדמונים שחולייתנים חולקים עם גוניונות וזכיות.
במהלך האבולוציה, הופעתן של התאמות חדשות כמו לסתות ותוספות זוגיות השיקה קרינה אדפטיבית בקבוצות אקורדאט.

סעיף 33-2: בקרת טמפרטורת הגוף
השליטה בטמפרטורת הגוף חשובה לשמירה על הומאוסטזיס בבעלי חוליות רבים, במיוחד בבתי גידול שבהם הטמפרטורה משתנה מאוד עם השעה ביום ועם העונה.
רוב הדגים, הדו-חיים והזוחלים הם אורגניזמים אקטותרמים שמקבלים חום מחוץ לגופם. ציפורים ויונקים הם אנדותרמיים, מה שאומר שהם יכולים לייצר חום בתוך גופם.

סעיף 33-3: צורה ותפקוד ב-Chordates
למערכות העיכול של בעלי החוליות יש איברים המותאמים היטב להרגלי האכלה שונים.
אקורדיטים מימיים כמו תחבושות, דגים וזחלים דו-חיים משתמשים בזימים לנשימה. בעלי חוליות יבשה, כולל דו-חיים בוגרים, זוחלים, ציפורים ויונקים, משתמשים בריאות.
במהלך התפתחות הקורדאט, הלב פיתח חדרים ומחיצות שעוזרים להפריד את הדם הנוסע במערכת הדם.
לקורדיטים ללא חוליות מערכת עצבים פשוטה יחסית עם מסה של תאי עצב היוצרים מוח. לחולייתנים יש מוח מורכב יותר עם אזורים נפרדים, שלכל אחד מהם תפקיד שונה.
מערכות השרירים והשלד תומכות בגוף של חולייתן ומאפשרות לשלוט בתנועה.


הגדרה של הומאוסטזיס

הומאוסטזיס: תכונה של תאים, רקמות ואורגניזמים המאפשרת שמירה וויסות של היציבות והקביעות הדרושים לתפקוד תקין. הומאוסטזיס הוא מצב בריא הנשמר על ידי התאמה מתמדת של מסלולים ביוכימיים ופיזיולוגיים. דוגמה להומאוסטזיס היא שמירה על לחץ דם קבוע בגוף האדם באמצעות סדרה של התאמות עדינות בטווח התפקוד הנורמלי של המערכת ההורמונלית, הנוירו-שרירית והקרדיווסקולרית. התאמות אלו מאפשרות שמירה על לחץ הדם הדרוש לתפקוד הגוף למרות שינויים סביבתיים ושינויים ברמת הפעילות ובמיקומו של האדם. מנגנונים הומאוסטטיים אחרים, למשל, מאפשרים שמירה על טמפרטורת הגוף בטווח צר.

מצגת

משאבים בריאים
מרכזים מומלצים
פתרונות בריאות מהספונסרים שלנו

כלי זיהוי גלולות מהיר, קל, זיהוי גלולות

כלי אינטראקציה בין תרופות בדוק אינטראקציות בין תרופתיות פוטנציאליות

כלי איתור בתי מרקחת כולל 24 שעות, בתי מרקחת


שליטה בהומאוסטזיס

כאשר מתרחש שינוי בסביבה של בעלי חיים, יש לבצע התאמה. הקולטן מרגיש את השינוי בסביבה, ולאחר מכן שולח אות למרכז הבקרה (ברוב המקרים, המוח) אשר בתורו מייצר תגובה שמסומנת לאפקטור. האפקטור הוא שריר (שמתכווץ או נרגע) או בלוטה המפרישה. ההומאוסטטיזיס נשמר על ידי לולאות משוב שליליות. לולאות משוב חיוביות למעשה דוחפות את האורגניזם רחוק יותר מההומאוסטזיס, אך עשויות להיות הכרחיות להתרחשות חיים. הומאוסטזיס נשלט על ידי מערכת העצבים והאנדוקרינית של יונקים.


השקפתו של פיזיולוג על הומאוסטזיס

הומאוסטזיס הוא מושג ליבה הנחוץ להבנת מנגנוני הוויסות הרבים בפיזיולוגיה. קלוד ברנרד הציע במקור את הרעיון של הקביעות של “milieu interieur,” אבל הדיון שלו היה מופשט למדי. וולטר קאנון הציג את המונח “homeostasis” והרחיב את התפיסה של ברנרד לגבי התמדה של הסביבה הפנימית בצורה מפורשת וקונקרטית. בשנות ה-60 החלו לתאר מנגנוני ויסות הומאוסטטיים בפיזיולוגיה כתהליכים בדידים בעקבות יישום ניתוח מערכות בקרה הנדסית על מערכות פיזיולוגיות. לרוע המזל, טקסטים רבים לתואר ראשון ממשיכים להדגיש היבטים מופשטים של הרעיון במקום להדגיש מודל כללי שניתן ליישם באופן ספציפי ומקיף על כל המנגנונים ההומיאוסטטיים. כתוצאה מכך, תלמידים ומדריכים כאחד אינם מצליחים לפתח מודל ברור ותמציתי שבאמצעותו ניתן לחשוב על מערכות כאלה. במאמר זה, אנו מציגים מודל סטנדרטי למנגנונים הומאוסטטיים לשימוש ברמת התואר הראשון. אנו דנים במקורות נפוצים לבלבול (נקודות דביקות) הנובעות מחוסר עקביות באוצר המילים ובאיורים המצויים בטקסטים פופולריים לתואר ראשון. לבסוף, אנו מציעים מודל פשוט ואוצר מילים המסייע לסטודנטים לתואר ראשון לבנות מודלים נפשיים יעילים של ויסות הומאוסטטי במערכות פיזיולוגיות.

בשנת 2007, קבוצה של 21 ביולוגים ממגוון רחב של דיסציפלינות הסכימו כי “homeostasis” הוא אחד משמונה מושגי ליבה בביולוגיה (14). שנתיים לאחר מכן, האיגוד האמריקאי למכללות רפואיות והמכון הרפואי הווארד יוז בדו"ח שלו (1) על היסודות המדעיים לרופאים עתידיים זיהו באופן דומה את היכולת ליישם ידע על “homeostasis” כאחת מכישורי הליבה (יכולת M1).

מנקודת המבט שלנו כפיזיולוגים, ברור שהומאוסטזיס הוא מושג ליבה של המשמעת שלנו. כאשר שאלנו מדריכי פיזיולוגיה ממגוון רחב של מוסדות חינוך מה הם חושבים שהרעיונות הגדולים (המושגים) של הפיזיולוגיה, גילינו שגם הם זיהו את ה-chomeostasis ו- “ll membranes הרעיונות הגדולים החשובים ביותר בפיזיולוגיה (15). בסקר שלאחר מכן (16), מדריכי הפיזיולוגיה דירגו הומאוסטזיס כאחד ממושגי הליבה הקריטיים להבנת הפיזיולוגיה.

אם, כפי שמצביעים סקרים אלה, המושג הומאוסטזיס הוא מרכזי בהבנת מנגנונים פיזיולוגיים, ניתן היה לצפות שמדריכים וספרי לימוד יציגו מודל עקבי של המושג. עם זאת, בדיקה של 11 ספרי לימוד נפוצים לפיזיולוגיה וביולוגיה לתואר ראשון גילתה שזה לא בהכרח המקרה (17). הסברים על המושג הומאוסטזיס וההתייחסויות הבאות למושג סובלים ממספר חסרונות. למרות שטקסטים אלה מגדירים כמה מונחים הקשורים למערכות רגולציה הומאוסטטיות, מחברים רבים אינם משתמשים במונחים אלה באופן עקבי. יתרה מכך, הם לא תמיד משתמשים בייצוגים חזותיים עקביים של המושג. בנוסף, ההסבר של המושג מתנגש לעיתים קרובות עם ההבנה הנוכחית של מנגנוני ויסות הומאוסטטיים. סביר להניח שהמגבלות אלו של ספרי לימוד עוברות להוראה בכיתה, ובכך מחלישות את כוחו של המושג כרעיון מאחד להבנת הפיזיולוגיה.

מטרות מאמר זה הן לפתח תיאור נכון וייצוג חזותי של מנגנון הומאוסטטי כללי שיכול לשמש כלי למידה עבור חברי סגל וסטודנטים. נגביל את הדיון שלנו למנגנונים הומאוסטטיים המצויים במערכות אורגניזמיות השומרות על תא חוץ תאי קבוע ולא נשקול סוגים אחרים של הומאוסטזיס. למרות שכלי זה יכול להיות שימושי בכל רמה אקדמית, המיקוד העיקרי שלנו הוא היישום שלו ברמת התואר הראשון כאשר התלמידים מתוודעים לראשונה למושג. כמו כן, נדון בקצרה בהיסטוריה של המושג ולאחר מכן נתייחס לנקודות הדביקות שעלולות להוביל לבלבול עבור חברי סגל וסטודנטים כאחד כאשר מנסים ליישם את המושג לפיזיולוגיה של יונקים, אורגניזמים. אנו מסיימים בהצעות לשיפור ההוראה על הומאוסטזיס ויישומיו.

היסטוריה של המושג הומאוסטזיס

קלוד ברנרד טען שאורגניזמים מורכבים מסוגלים לשמור על הסביבה הפנימית שלהם [נוזל חוץ תאי (ECF)] קבוע למדי מול אתגרים מהעולם החיצוני (8). הוא המשיך ואמר כי "קיום חופשי ועצמאי אפשרי רק בגלל היציבות של הסביבה הפנימית" (3). וולטר קאנון טבע את המונח “homeostasis” מתוך כוונה לספק מונח שיעביר את הרעיון הכללי שהוצע כ-50 שנה קודם לכן על ידי ברנרד (8). השקפתו של קנון התמקדה בשמירה על מצב יציב בתוך האורגניזם, ללא קשר לשאלה אם המנגנונים המעורבים היו פסיביים (למשל, תנועת מים בין נימים והאינטרסטיטיום המשקפת איזון בין כוחות הידרוסטטיים ואוסמוטיים) או פעילים (למשל, אחסון ושחרור של גלוקוז תוך תאי) (6). בעוד שאנו מכירים בתקפותם של מנגנונים פסיביים ואקטיביים כאחד של הומאוסטזיס, השיקול שלנו יתמקד אך ורק בתהליכי הרגולציה האקטיביים הכרוכים בשמירה על הומאוסטזיס.

ספרי הלימוד המוקדמים של הפיזיולוגיה שיקפו הגדרה רחבה זו על ידי אזכור קצר של הרעיון של ברנרד לגבי הקביעות של הסביבה הפנימית, אך המונח “homeostasis” לא שימש בדיונים על מנגנוני רגולציה ספציפיים (9, 11, 4).

מצב זה החל להשתנות באמצע שנות ה-60, כאשר צץ ענף של הנדסה ביו-רפואית שהתמקד ביישום ניתוח מערכות בקרה הנדסיות למערכות פיזיולוגיות (18, 19, 2, 20). ארתור גייטון היה מחבר ספרי הפיזיולוגיה הגדול הראשון שכלל גישה של תורת מערכות הבקרה בספר הלימוד שלו, וספרו כלל תשומת לב מפורטת למנגנוני הוויסות הרבים של הגוף (10). מכאן, שגיאטון הציג לסטודנטים רבים את המושג הומאוסטזיס כמנגנון ויסות פעיל שנוטה למזער את ההפרעות בסביבה הפנימית.

תורת מערכות הבקרה ההנדסית מתארת ​​מגוון מנגנונים אחרים לשמירה על יציבות מערכת. למרות שרבים מהמנגנונים הללו עשויים להימצא במערכות ביולוגיות (7), לא כולם הם מרכיבים של מנגנונים הומאוסטטיים. לדוגמה, המערכת הבליסטית המשמשת את מערכת העצבים לזריקת כדור פשוט מחשבת מראש את דפוס הפקודות הדרושות להשגת תוצאה מסוימת בהתבסס על ניסיון קודם (7). כאן, לא מעורב אלמנט המסדיר את הסביבה הפנימית.

מנגנונים הומאוסטטיים נוצרו כדי לשמור על משתנה מווסת בסביבה הפנימית בטווח של ערכים התואמים לחיים, וכפי שהוצע לאחרונה, כדי להפחית רעש במהלך העברת מידע במערכות פיזיולוגיות (22). כדי להדגיש את תהליך הייצוב, אנו מבחינים בין משתנה מוסדר (מוחש) ומשתנה לא מבוקר (5, 23). משתנה מווסת (חושה) הוא משתנה שקיים עבורו חיישן בתוך המערכת ושנשמר בטווח מוגבל על ידי מנגנונים פיזיולוגיים (5). לדוגמה, לחץ דם וטמפרטורת הגוף הם משתנים מוחשים. ברוררצפטורים ותרמורצפטורים קיימים בתוך המערכת ומספקים את ערך הלחץ או הטמפרטורה למנגנון הוויסות. אנו קוראים למשתנים הניתנים לשינוי על ידי המערכת, אך עבורם לא קיימים חיישנים בתוך המערכת, משתנים לא מוסדרים (מבוקרים). משתנים לא מוסדרים עוברים מניפולציה או מווסת כדי להשיג ויסות של המשתנה המוחזק קבוע. לדוגמה, ניתן לשנות את קצב הלב על ידי מערכת העצבים האוטונומית כדי לווסת את לחץ הדם, אך אין במערכת חיישנים המודדים את קצב הלב ישירות. לפיכך, קצב הלב הוא משתנה לא מווסת.

מודל פשוט הממחיש את מושגי מערכת הבקרה ההנדסית הבסיסיים הרלוונטיים למנגנוני רגולציה הומאוסטטיים מוצג באיור 1.

תרשים של מערכת רגולציה הומאוסטטית גנרית. אם הערך של המשתנה המוסדר מופרע, מערכת זו פועלת כדי לשחזר אותו לערך נקודת הקבע שלו, ומכאן, היא מכונה גם מערכת משוב שלילי.

מודל זה, שגרסה כלשהי שלו מופיעה בטקסטים רבים של הפיזיולוגיה הנוכחית, כולל את חמשת המרכיבים הקריטיים הבאים שמערכת רגולטורית חייבת להכיל כדי לשמור על הומאוסטזיס:

1. הוא חייב להכיל חיישן שמודד את ערכו של המשתנה המוסדר.

2. הוא חייב להכיל מנגנון לקביעת טווח הערכים של המשתנה המוסדר. במודל המוצג באיור 1, מנגנון זה מיוצג על ידי “set point,” למרות שמונח זה לא נועד לרמוז שטווח נורמלי זה הוא למעשה “point” או שיש לו ערך קבוע . בסעיף הבא, נדון עוד ברעיון של נקודת קבע.

3. הוא חייב להכיל "גלאי שגיאה" המשווה את האות המועבר על ידי החיישן (המייצג את הערך האמיתי של המשתנה המוסדר) עם נקודת ההגדרה. התוצאה של השוואה זו היא אות שגיאה שמתפרש על ידי הבקר.

4. הבקר מפרש את אות השגיאה וקובע את ערך הפלטים של האפקטורים.

5. האפקטורים הם אותם אלמנטים שקובעים את ערכו של המשתנה המוסדר.

מערכת כזו פועלת באופן שגורם לכל שינוי במשתנה המווסת, הפרעה, להתנגד לשינוי בפלט האפקטור כדי לשחזר את המשתנה המוסדר לעבר ערך נקודת הקבע שלו. אומרים שמערכות שמתנהגות כך הן מערכות משוב שלילי.

בעוד שהדגם המוצג באיור 1 הוא פשוט יחסית, יש מידע רב שניתן לארוז בכל אחת מהקופסאות המרכיבות את הדגם. הומאוסטזיס יכול להיות מתואר גם כקבוצה מסודרת היררכית של הצהרות, מסגרת מושגית, המכילה כל נשימה ועומק של מידע המתאימים לקבוצה מסוימת של תלמידים בקורס. פיתחנו ותארנו "אריזה" כזו של מושג הליבה של הומאוסטזיס (12, 13). המודל והמסגרת הרעיונית מספקים לתלמידים כלים שונים לחשיבה על הומאוסטזיס.

נושאים שגורמים לבלבול לתלמידים ולמדריכים: נקודות דביקות

נקודה דביקה היא כל קושי מושגי שהופך את המודל המנטלי של כל תופעה ללא מדויק, ומכאן, פחות שימושי. ישנם מספר גורמים שתורמים ליצירת נקודות דביקות הן למדריכים והן לסטודנטים:

התופעה המדוברת היא תופעה מורכבת.

יש היבטים של התופעה שהם מנוגדים לאינטואיציה.

השפה או המינוח המשמשים לתיאור התופעה או המושג אינם עקביים.

ההבנה של הדיסציפלינה את התופעה אינה ודאית או לא שלמה.

בחלק זה, נתאר כמה נקודות דביקות לגבי מנגנוני ויסות הומאוסטטיים שחשפנו במהלך אינטראקציה עם מדריכים ותלמידים לגבי הבנתם את הומאוסטזיס. נתייחס לנקודות הדביקות הללו בצורה של סדרה של שאלות ותשובות.

איזו סביבה מווסתת על ידי הומאוסטזיס אורגניזמי?

הומאוסטזיס אורגני, כפי שהוגדר במקור על ידי קנון (6), מתייחס למנגנונים פיזיולוגיים השומרים על המשתנים קבועים יחסית הקשורים לסביבה הפנימית של האורגניזם. זה כולל משתנים הקשורים לכל תא ה-ECF או לתתי המשנה שלו (למשל, הפלזמה). לא נדון במנגנונים הומאוסטטיים תוך תאיים.

האם כל מערכות המשוב השלילי הומיאוסטטיות?

למרות שמשוב שלילי הוא מרכיב חיוני של מנגנוני ויסות הומאוסטטיים, נוכחות של משוב שלילי במערכת אינה אומרת שהמערכת היא הומאוסטטית בתפקוד. משוב שלילי קיים במערכות רבות שאינן כרוכות בוויסות הומיאוסטטי. לדוגמה, משוב שלילי משחק תפקיד ברפלקס מתיחת השריר, אך רפלקס זה אינו מעורב בשמירה על הקביעות של הסביבה הפנימית. במקרים אחרים, נוכחות של משוב שלילי עשויה למזער את התנודה של משתנה, למרות שהמשתנה עצמו אינו נשמר קבוע יחסית (כלומר, הוא אינו משתנה מווסת). שליטה על רמות הקורטיזול בדם היא דוגמה להשפעות הדכאות המתנודדות של משוב שלילי (ראה דיון נוסף להלן).

האם סוגים אחרים של מנגנוני בקרה (למשל, feedforward) יכולים לשמור על הומאוסטזיס?

מנגנוני בקרה קדימה או ציפייה מאפשרים לגוף לחזות שינוי בפיזיולוגיה של האורגניזם וליזום תגובה שיכולה להפחית את התנועה של משתנה מווסת מחוץ לטווח הנורמלי שלו (7, 23). לפיכך, מנגנוני הזנה קדימה עשויים לעזור למזער את ההשפעות של הפרעה ויכולים לעזור לשמור על הומאוסטזיס. לדוגמה, עלייה צפויה בתדירות הנשימה תפחית את מהלך הזמן של התגובה להיפוקסיה הנגרמת על ידי פעילות גופנית. בשל כך, נעשו ניסיונות להרחיב את ההגדרה של הומאוסטזיס לכלול מגוון של מנגנוני ציפייה (23).

עם זאת, החלטנו להגביל את המודל הגנרי שלנו של מערכת רגולציה הומאוסטטית (איור 1) לכזו שממחישה משוב שלילי ומדגימה את המינימום של אות שגיאה. עשינו זאת מכיוון שהמודל שלנו נועד לעזור לחברי סגל ללמד ולסטודנטים ללמוד את מושג הליבה של הומאוסטזיס בפיזיולוגיה מבוא (12, 13). ישנן תכונות מורכבות נוספות שנמצאות במערכות משוב שאינן נכללות כאן מכיוון שהכוונה שלנו היא קודם כל לעזור לתלמידים להבין את הרעיון הבסיסי של ויסות הומאוסטטי. כאשר נתקלים במצבים שבהם המודל הבסיסי הזה כבר לא מספיק לחזות את התנהגות המערכת (7, 23), ניתן להוסיף למודל אלמנטים נוספים כמו מנגנוני הזנה קדימה.

מהי נקודת קבע?

הבנת המושג נקודת קבע היא מרכזית להבנת הפונקציה של מנגנון הומאוסטטי. נקודת ההגדרה במערכת בקרה הנדסית מוגדרת בקלות ומבינה היא הערך של המשתנה המוסדר שהמתכנן או המפעיל של המערכת רוצה כתפוקת המערכת. מנגנון בקרת השיוט ברכב הוא דוגמה למערכת עם נקודת הגדרה קלה להבנה. הנהג קובע את המהירות הרצויה למכונית (נקודת ההגדרה). מנגנון הרגולציה משתמש באפקטורים זמינים (מפעילי המצערת) ובמערכת משוב שלילי כדי לשמור על המהירות קבועה מול שינויים בתנאי השטח והרוח. במערכת כזו, אנו יכולים לדמיין מעגל אלקטרוני הממוקם במודול בקרת המנוע המשווה את מהירות הקרקע בפועל למהירות שנקבעה על ידי הנהג ומשתמש באות השגיאה כדי לשלוט במפעיל המצערת בצורה מתאימה.

במערכות פיזיולוגיות, נקודת ההגדרה דומה מבחינה רעיונית. עם זאת, מקור אחד לקושי הוא שברוב המקרים איננו מכירים את המנגנונים המולקולריים או התאיים שיוצרים אות בגודל מסוים. מה שברור הוא שמערכות פיזיולוגיות מסוימות מתנהגות כאילו יש אות נקודת קבע המשמש לוויסות משתנה פיזיולוגי (23).

אתגר נוסף להבנתנו את נקודות הקבע נובע מהעובדה שנקודות הקבע ניתנות לשינוי בבירור, בין אם פיזיולוגית או כתוצאה משינוי פתולוגי במערכת (23). המנגנונים הגורמים לשינויים בנקודת הגדר יכולים לפעול באופן זמני, קבוע או מחזורי. מבחינה פיזיולוגית, זה יכול להתרחש כתוצאה מתופעות פיזיולוגיות נפרדות (למשל, חום), פעולתם של הומאוסטטים היררכיים (למשל, ויסות של ECF P co. 2) (ראה Ref. 7), או באמצעות השפעת שעונים ביולוגיים (למשל, מקצבים יממתיים או יומיים של טמפרטורת הגוף). התצפית שניתן לשנות את נקודות ההגדרה מוסיפה מורכבות להבנתנו את הוויסות ההומיאוסטטי ויכולה להוביל לבלבול בשאלה האם השינוי הנמדד במשתנה מווסת נובע משינוי בגירוי הפיזיולוגי או משינוי נקודת קבע (23). במקרים אלה, חשוב לעשות הבחנות כאלה בין שינוי בגירוי לבין אפנון של נקודת הקבע כדי להגיע לתמונה מדויקת של אופן הפעולה של מערכת מסויימת המווסתת בצורה הומאוסטטית.

האם מנגנונים הומאוסטטיים פועלים כמו מתג הפעלה/כיבוי?

אותות בקרה נמצאים תמיד, והם קובעים ללא הרף את הפלט של האפקטורים. שינויים באותות הבקרה משנים את יציאות האפקטור ולכן משנים את המשתנה המוסדר. המשרעת של אותות בקרה אלה משתנה כאשר יש אות שגיאה (כלומר, כאשר המשתנה המווסת אינו זהה לנקודת ההגדרה). לפיכך, ויסות הומאוסטטי הוא תהליך קבוע ומתמשך ואינו פועל בדרך כלל כמתג הפעלה/כיבוי שגורם לתגובה של הכל או לא.

מה ההבדל בין אפקטור לתגובה פיזיולוגית?

דיאגרמות ונרטיבים של ספרי לימוד יכולים לטשטש את ההבחנה בין האפקטור לבין תגובה שנוצרת על ידי הגורם, מה שמקשה על התלמידים לבנות מודל מנטלי נכון. בעיה זו עלולה להתרחש אם, כאשר מוצג ייצוג חזותי של מנגנון הומאוסטטי (ראה איור. 1), תגובה פיזיולוגית ממוקמת באותה תיבה 𠇌oncept” כמו האפקטור. לדוגמה, ȁהפרשה מוגברת של בלוטות הזיעה” ו“vasodilation של כלי דם בעור” עשויים להיות מזוהים כמשפיעים במערכת הבקרה של ויסות חום. עם זאת, רק "בלוטות הזיעה וכלי דם" הם משפיעים, בעוד ש"הפרשה מוגברת" ו"הרחבת כלי דם" הן התגובות של המשפיעים. הבנה מקיפה של מנגנונים הומאוסטטיים מחייבת אותנו, ומהתלמידים, לעשות הבחנות ברורות בין אפקטורים לתגובות. יש להחיל את המונח �tor” רק על ישות פיזית כגון תא, רקמה או איבר, בעוד שתגובות כגון הפרשה והרחבת כלי דם הן פעולות, לא ישויות פיזיות.

תלמידים עלולים להתבלבל גם אם רק השינוי במשתנה המוסדר נחשב כתגובת הגורם. השינוי במשתנה המוסדר הוא בדרך כלל תוצאה של שינויים בתפקוד הנגרמים על ידי אפקטורים שקובעים את ערכו של המשתנה המוסדר. על ידי החלת המונח “response” רק על השינוי במשתנה המוסדר, הצעדים המתווכים בין פעולת הגורם לשינוי במשתנה המוסדר אינם מאושרים במפורש. בנסיבות אלה, סביר שהתלמידים יסיקו שהשלבים המתווכים הם, בדרך כלשהי, היבטים של הגורם המשפיע ולא השפעת הפעולות של המשפיעים. תרגול זה עשוי לשקף גם חוסר הבנה של ההבדל בין המשתנה המווסת, למשל, טמפרטורת הגוף, לבין כל המשתנים הלא מווסתים המשתנים (למשל, קוטר העורקים וקצב ייצור הזיעה) בשלבים שבין פעולת ה אפקטור והשינוי במשתנה המוסדר.

מה המשמעות של ȁקבוע באופן יצירתי לאורך זמןȁ?

בסעיפים לעיל, הדגשנו שמנגנונים הומאוסטטיים פועלים כדי לשמור על משתנה מווסת בסביבה הפנימית ȁקבוע באופן יצירתי.” זהו ביטוי נפוץ המשמש לתיאור מה שקורה בדרך כלל לערך של המשתנה המוסדר לאורך זמן. נקודה דביקה פוטנציאלית נובעת מהשימוש בביטוי זה. כמה שינוי יכול להתרחש למשתנה מווסת המוחזק יחסית קבוע? יש צורך בשלוש נקודות הבהרה. באמירת קבוע יחסית, אנו מתכוונים לכך:

1. משתנים מוסדרים מוחזקים בטווח צר יותר של ערכים מאשר אילו לא היו מוסדרים.

2. הערך המוסדר נשמר בטווח התואם את הכדאיות של האורגניזם.

3. ישנם הבדלים בטווח הערכים המותרים עבור משתנים מוסדרים שונים.

הנקודה השנייה היא המפתח להבנת הטווח שבו משתנים מוסדרים יכולים לשנות מנגנונים הומאוסטטיים לפעול כדי למנוע שינוי שעלול להיות קטלני בסביבה הפנימית. ואכן, כפי שהוא משמש לעתים קרובות, קבוע יחסית משמש בעיקרו כביטוי פונדקאי עבור בטווח התואם את הכדאיות של האורגניזם. עבור כמה משתנים מוסדרים, הטווח צר למדי (למשל, ריכוז H + חוץ תאי או אוסמולריות חוץ תאית). עבור משתנים אחרים, הטווח יכול להיות רחב בנסיבות מסוימות (למשל, ריכוז הגלוקוז בדם בזמן האכלה) וצר במצבים אחרים (למשל, רמת הגלוקוז בדם בזמן הצום). הגורמים התורמים לטווח התקין או, במודל שלנו, לנקודת הקבע, של משתנה מסוים הם ללא ספק מורכבים, וברוב המקרים, לא הובהרו.

אילו משתנים פיזיולוגיים מוסדרים באופן הומיאוסטטי?

כדי לזהות משתנים ספציפיים העשויים להיות מווסתים בצורה הומאוסטטית, חמשת המרכיבים הקריטיים המוצגים במודל המוצג באיור 1 חייבים להיות נוכחים. כלומר, חייבת להתקיים מערכת רגולטורית עבור אותו משתנה המכילה את חמשת הרכיבים הקריטיים המתוארים באיור 1. בהתבסס על בדיקה זו, יצרנו רשימה חלקית של המשתנים הפיזיולוגיים המווסתים בצורה הומאוסטטית (טבלה 1). רשימת המשתנים המווסתים בבני אדם המוכרים באופן נרחב ומבוססים בבירור כוללת מספר יונים אנאורגניים (כגון, H+, Ca 2+, K+ ו-Na+), חומרים מזינים הנישאים בדם (למשל, גלוקוז), לחץ דם, דם נפח, אוסמולריות דם וטמפרטורת גוף הליבה.

שולחן 1.

משתנים מווסתים באופן הומיאוסטטי שנמצאים בדרך כלל בספרי לימוד לפיזיולוגיה אנושית לתואר ראשון

משתנה מוסדרטווח נורמלי או ערךחיישן (מיקום אם ידוע)מרכז בקרה (מיקום)אפקטוריםתגובת אפקטור
עורקי P o 275� מ"מ כספיתחיישני כימו (גופי הצוואר וגוף אבי העורקים)גזע מוחדיאפרגמה ושרירי הנשימהשנה את תדירות הנשימה ונפח הגאות והשפל
Arterial P co 234� מ"מ כספיתחיישני כימותרפיה (גופי הצוואר, גוף אבי העורקים והמדוללה)גזע מוחדיאפרגמה ושרירי הנשימהשנה את תדירות הנשימה ונפח הגאות והשפל
K + ריכוז3.5𠄵.0 meq/lחיישני כימותרפיה (קליפת יותרת הכליה)קליפת יותרת הכליהכליותשנה ספיגה מחדש/הפרשה של K +
ריכוז Ca 2+4.3𠄵.3 meq/l (מיונן)חיישני כימותרפיה (בלוטת הפאראתירואיד)בלוטת פארתירואידעצם, כליות ומעישינוי ספיגה חוזרת של Ca 2+, שינוי ספיגה/בניית עצם ושינוי ספיגה של Ca 2+
H + ריכוז (pH)35� ננומטר (pH 7.35𠄷.45)חיישני כימו (גופי הצוואר, גוף אבי העורקים ורצפת החדר הרביעי)גזע מוחדיאפרגמה ושרירי הנשימהשנה את תדירות הנשימה ואת נפח הגאות ושנה הפרשה/ספיגה מחדש של יוני H+/ביקרבונט
חיישני כימותרפיה (כליה)כִּליָהכִּליָה
ריכוז הגלוקוז בדם70� מ"ג/ד"למצב מזין: חיישני כימותרפיה (לבלב)לַבלָבכבד, רקמת שומן ושריר השלדשינוי אחסון/מטבוליזם/שחרור של גלוקוז והתרכובות הקשורות אליו
מצב צום: חיישני כימותרפיה (היפותלמוס, לבלב)היפותלמוס
טמפרטורת גוף הליבה98.6ଏחיישני תרמוס (היפותלמוס, עור)היפותלמוסכלי דם ובלוטות זיעה בעור וכן שרירי השלדשינוי התנגדות היקפית, קצב הפרשת הזיעה וצמרמורת
שינוי עליות/הפסדי חום
לחץ עורקי ממוצע93 מ"מ כספיתחיישני מכונו (סינוס הצוואר וקשת אבי העורקים)לָשָׁדלב וכלי דםשינוי קצב הלב, התנגדות היקפית, מצב אינוטרופי של הלב, וטונוס ורידי
נפח דם (נפח מחזור יעיל)5 ליטרחיישני מכנולָשָׁדלֵבשינוי קצב הלב, ההתנגדות ההיקפית והמצב האינוטרופי של הלב
(כלי דם: גופי קרוטיד)היפותלמוסכלי דםAlter Na + וספיגה חוזרת של מים
(לב: פרוזדורים וחדרים)אטריהכליותשנה ספיגת מים
(כליה: מנגנון juxtaglomerular ו-arterioles אפרנטי כליות)כִּליָהמְעִי
אוסמולליות הדם‎280� mosM/kgחיישני אוסמו (היפותלמוס)היפותלמוסכליותשנה ספיגת מים מחדש

טבלה זו כוללת רכיבים נפוצים של מערכות בקרה המעורבות בוויסות פיזיולוגי (כלומר הומאוסטזיס). זו לא אמורה להיות רשימה ממצה אלא משקפת את ההבנה הנוכחית של משתנים מווסתים באופן הומיאוסטטי שסטודנטים לפיזיולוגיה לתואר ראשון צריכים להבין ולהיות מסוגלים ליישם על בעיות (למשל, ביצוע תחזיות לגבי תגובות להפרעות או הסבר תסמינים של מחלה).

נקודה דביקה פוטנציאלית מתרחשת כאשר ספרי לימוד מזהים משתנים כמווסתים בצורה הומאוסטטית למרות שלמערכת המעורבת אין את כל הרכיבים הנדרשים. הטענה לפיה תוצרי פסולת מטבוליים מסוימים (למשל, פסולת חנקן, בילירובין וקריאטינין) מווסתים בצורה הומאוסטטית ממחישה כשל כזה. אנחנו לא מציעים שרמות החומרים הללו לא נשמרות קבועות יחסית על ידי תהליכים במצב יציב בגוף. במקום זאת, ריכוזי החומרים הללו אינם נשמרים על ידי מערכת העונה על ההגדרה של מנגנון הומאוסטטי המפורטת לעיל. לגוף אין חיישן פיזיולוגי לזיהוי חומרים אלו ב-ECF ולכן אינו יכול לווסת באופן הומיאוסטטי את ריכוז ה-ECF של חומרים אלו.

לעומת זאת, מנגנונים מסוימים לשליטה ברמת המשתנה הפיזיולוגי כוללים מרכיב אחד של המודל (למשל, משוב שלילי) ועשויים לתת מראה של ויסות הומיאוסטטי אך, בסופו של דבר, אינם עומדים בכל הקריטריונים ואין לראות בהם הומאוסטטי. . לדוגמה, דיאגרמות ספרי לימוד הממחישות את השליטה ברמות הקורטיזול בדם מציגות מספר לולאות משוב שליליות. זה יכול לגרום לתלמידים לחשוב שקורטיזול הוא משתנה מווסת. עם זאת, המשתנים המוחשים במערכת זו הם המשתנים (למשל, גלוקוז בדם או “stress”) שהערכים שלהם מעובדים על ידי מרכזי המוח הגבוהים או ההיפותלמוס ומביאים לשחרור הורמון משחרר קורטיקוטרופין . התוצאה של לולאות המשוב השליליות הכוללות הורמון אדרנו-קורטיקוטרופי וקורטיזול היא אפנון של קצב השחרור של ההורמונים המתאימים. לכן, הורמון משחרר קורטיקוטרופין, הורמון אדרנוקורטיקוטרופי וקורטיזול אינם צריכים להיחשב למשתנים המווסתים באופן הומיאוסטטי. הם מרכיבי איתות השולטים באפקטורים הקובעים את הערך של המשתנים המוסדרים.

מקור אפשרי נוסף לבלבול לגבי זיהוי משתנים מוסדרים מתעורר כאשר משתנה פיזיולוגי מווסת בסט נסיבות אחד אך מתנהג כמשתנה מבוקר בנסיבות אחרות. זה יכול לקרות אם משתנה מווסת נמצא תחת שליטה של ​​שתי מערכות הומיאוסטטיות שונות או אם משתנה מווסת יכול להיות ȁלקלוט” על ידי מערכת הומאוסטטית אחרת. זה קורה לעתים קרובות אם משתנה פיזיולוגי ממלא תפקיד ביותר מתפקוד אחד בגוף.

זה כאן שהמושג של הומאוסטזיס מקונן או היררכיות של הומאוסטטים יכול להיות מועיל. קרפנטר (7) ציין כי קיימות נסיבות שבהן שמירה על משתנה מווסת אחד בערך נקודת הקבע שלו חשובה יותר להמשך הקיום של האורגניזם מאשר וויסות בו-זמנית של משתנה אחר.

דוגמה אחת לכך מספקת הערך של P co 2 ב-ECF. כמשתנה בסביבה הפנימית המשפיע על כדאיות התא, P co 2 עונה על כל הקריטריונים למשתנה מווסת באופן הומיאוסטטי. P co 2 ב-ECF תלוי בפעולה של שרירי הנשימה שמשנים את קצב ועומק האוורור. ככזה, P co 2 ב-ECF נשמר בגבולות מוגדרים על ידי מערכת רגולטורית שחשת P co 2 ופועל לפי משוב שלילי. עם זאת, כפי שיודע כל סטודנט לפיזיולוגיה של חומצה-בסיס, P co 2 ב-ECF אינו נשמר קבוע יחסית במהלך התאמות מפצות במאזן החומצה-בסיס של הגוף. מנקודת המבט של H + הומאוסטזיס, P co 2 מתפקד כמשתנה מבוקר.

בשלב זה, חלק מהתלמידים שלנו עשויים לשאול “מה זה? האם P co 2 משתנה מוסדר או שזה משתנה מבוקר? התשובה שלנו היא ש-P co 2 הוא גם וגם, ואנחנו יכולים להסביר זאת באמצעות הרעיון של מנגנונים הומאוסטטיים מקוננים. יש נסיבות שבהן חשוב יותר לשמור על ריכוז H + עורקי (pH) בטווח התקין ששמירה על P co קבוע 2, אולי בגלל ההשפעה המיוחדת של ריכוז H+ על הישרדות התא. לכן, ויסות יעיל של ריכוז H+ של ה-ECF יכול להיות מושג רק על ידי מתן אפשרות ל-P co 2 להשתנות באופן דרמטי מהטווח הרגיל שלו במהלך הפרעות חומצה-בסיס. על ידי הצגת המושג של מנגנונים הומאוסטטיים מקוננים, חידדנו את האופן שבו אנו רואים P co 2 בתור משתנה מווסת באופן הומיאוסטטי, והצענו דרך אחרת לפתור מצבים אחרים, 𠇍ick”, שבהם האותנטיות של משתנה מווסת באופן הומיאוסטטי עשויה להיות מוטלת בספק.

שיטות עבודה מומלצות בהוראת הומאוסטזיס

בהתחשב במרכזיותו של המושג הומאוסטזיס (15, 16), אפשר היה לצפות שגם משאבי ההוראה וגם המדריכים יספקו מודל עקבי של הרעיון ויישמו מודל זה על מערכות מתאימות שבהן משתנים מוחשים ונשמרים קבועים יחסית.

עם זאת, בחינה של ספרי לימוד לתואר ראשון העלתה שלא כך הדבר (17). הבעיות שנמצאו כוללות, בין היתר, שפה לא עקבית ששימשה לתיאור התופעה ולייצוגים ציוריים לא שלמים או לא נאותים של המודל. בנוסף, טקסטים מגדירים לעתים קרובות הומאוסטזיס מוקדם בנרטיב, אך אינם מצליחים לחזק את היישום של המודל כאשר דנים במנגנוני רגולציה ספציפיים (17).

יתרה מזאת, עבודתנו המתמקדת בפיתוח מלאי מושגים עבור ויסות הומאוסטטי (12, 13) גילתה בלבול ניכר בקרב חברי הסגל לגבי הרעיון. אנו חושבים שהבלבול הזה עשוי לנבוע, בין השאר, מרמת אי הוודאות של הפקולטה לגבי הרעיון ומידת המורכבות של מנגנוני ויסות הומאוסטטיים. הדיון שלנו בנקודות הדביקות הקשורות להומאוסטזיס הוא ניסיון להציע מקורות פוטנציאליים לבלבול זה ולהצביע על דרכים שבהן מדריכים יכולים להתמודד עם הקשיים הללו.

איך נשפר את המצב הזה? אנו מציעים חמש אסטרטגיות שיעזרו בגישה לבעיה.

1. חברי הפקולטה צריכים לאמץ מערכת סטנדרטית של מונחים הקשורים למודל. קיימת חוסר עקביות בתוך ובין ספרי לימוד ביחס לשמות של מרכיבים קריטיים של המודל. אנו מציעים את המינוח המוצג בטבלה 2 לשימוש כאשר דנים במנגנוני רגולציה הומאוסטטיים.

שולחן 2.

הגדרות של מונחים עבור נייר הומאוסטזיס

טווח
מרכז בקרה (או אינטגרטור)מרכז הבקרה מורכב מגלאי שגיאות ובקר. הוא מקבל אותות (מידע) מחיישנים, משווה מידע (ערך של משתנה מווסת) עם נקודת ההגדרה, משלב מידע מכל החיישנים ושולח אותות פלט (שולח הוראות או פקודות) כדי להגדיל או להקטין את הפעילות של אפקטורים. מרכז הבקרה קובע ויוזם את התגובה הפיזיולוגית המתאימה לכל שינוי או הפרעה בסביבה הפנימית
בקרהרכיב של מרכז הבקרה שמקבל אותות (מידע) מגלאי השגיאות ושולח אותות פלט (הוראות או פקודות) כדי להגביר או להקטין את הפעילות של אפקטורים. הבקר יוזם את התגובה הפיזיולוגית המתאימה לאות שגיאה הנובעת משינוי או הפרעה של המשתנה המווסת (החושה).
מַפעִילרכיב שפעילותו או פעולתו תורמת לקביעת ערכו של כל משתנה במערכת. במודל זה, האפקטורים קובעים את ערכו של המשתנה המוסדר (המוחש).
גלאי שגיאותהרכיב במרכז הבקרה שקובע (מחשב) את ההפרש בין ערך נקודת הקבע לבין הערך בפועל של המשתנה המוסדר (המוחש). גלאי השגיאה יוצר את אות השגיאה המשמש לקביעת הפלט של מרכז הבקרה.
אות שגיאהאות המייצג את ההפרש בין ערך נקודת ההגדרה לבין הערך בפועל של המשתנה המוסדר. אות השגיאה הוא אחד מאותות הקלט לבקר.
סביבה חיצוניתהעולם שמחוץ לגוף ומצבו. המצב או התנאים בעולם החיצון יכולים לקבוע את המצב של תכונות פנימיות רבות של האורגניזם.
אינטגרטורזהו מונח נוסף למרכז הבקרה. האינטגרטור מעבד מידע מהחיישן וממרכיבים אלה הקובעים את נקודת ההגדרה, קובע כל אות שגיאה שקיים, ושולח אותות פלט (הוראות או פקודות) כדי להגביר או להקטין את הפעילות של אפקטורים.
סביבה פנימיתהסביבה הפנימית היא תא הנוזלים החוץ תאי. זוהי הסביבה בה חיים תאי הגוף. לזה התכוון ברנרד ב"מילייה הקולנועי".”
הומאוסטזיסשמירה על סביבה פנימית יציבה יחסית על ידי אורגניזם מול סביבה חיצונית משתנה ופעילות פנימית משתנה תוך שימוש במנגנוני משוב שלילי כדי למזער אות שגיאה.
משוב שלילימנגנון בקרה שבו פעולת האפקטור (תגובה) מתנגדת לשינוי במשתנה המוסדר ומחזירה אותו בחזרה לערך נקודת הקבע.
משתנה לא מוסדר (משתנה מבוקר)משתנה שערכו משתנה בתגובה לפעילות האפקטור אך ערכו אינו מורגש ישירות על ידי המערכת. משתנים מבוקרים תורמים לקביעת המשתנה המוסדר. לדוגמה, קצב הלב ונפח השבץ (משתנים מבוקרים) תורמים לקביעת תפוקת הלב (משתנה מבוקר נוסף) התורם ללחץ הדם העורקי (משתנה מווסת).
הפרעה (הפרעה)כל שינוי בסביבה הפנימית או החיצונית הגורם לשינוי במשתנה המווסת בצורה הומאוסטטית. שינויים שנגרמו מבחינה פיזיולוגית בנקודת ההגדרה לא ייחשבו כהפרעה.
משתנה מוסדר (משתנה מורגש)כל משתנה שקיימים לו חיישנים במערכת וערכו נשמר בגבולות על ידי מערכת משוב שלילי מול הפרעות במערכת. משתנה מווסת הוא כל תכונה או מצב של הנוזל החוץ תאי שנשמר קבוע יחסית בסביבה הפנימית על מנת להבטיח את הכדאיות (הישרדות) של האורגניזם.
תְגוּבָההשינוי בתפקוד או בפעולה של אפקטור.
חיישן (קולטן)מכשיר שמודד את גודלו של משתנה כלשהו על ידי יצירת אות פלט (עצבי או הורמונלי) שהוא פרופורציונלי לגודל הגירוי. חיישן הוא מכשיר מדידה. עבור חלק מהמשתנים המווסתים, חיישנים הם תאי חישה מיוחדים או קולטנים חושיים, למשל, תרמורצפטורים, בררצפטורים או אוסמורצפטורים. עבור משתנים מוסדרים אחרים, חיישנים הם רכיבים תאיים, למשל, קולטן החישה Ca 2+ (קולטן צמוד חלבון G החש בדם Ca 2+ בבלוטת הפאראתירואיד).
הגדר נקודהטווח הערכים (טווח הגדלים) של המשתנה המוסדר שהמערכת מנסה לשמור. נקודת ההגדרה מתייחסת לערך הרצוי.

מילון מונחים המשמשים לדיון במושג הליבה של הומאוסטזיס. המרכיבים של מערכת מווסתת בצורה הומאוסטטית (איור 1) מוגדרים כאן כמו כמה מונחים אחרים המופיעים בהוראת מושג זה.

2. יש לאמץ ייצוג ציורי סטנדרטי של המודל כאשר מסבירים תחילה הומאוסטזיס, ויש להשתמש בו כדי למסגר את הדיון במערכת הספציפית הנבחנת. איור 1 מציג תרשים כזה.

ניתן לטעון כי דיאגרמה זו עשויה להיות קשה לסטודנטים לתואר ראשון להבנה. זה עשוי להיות הרציונל להצגת התרשימים הפשוטים הרבה שנמצאים ברוב הטקסטים לתואר ראשון (17). עם זאת, מכיוון שהתרשימים הפשוטים הללו אינם כוללים במפורש את כל המרכיבים של מערכת רגולציה הומאוסטטית (למשל, נקודת קבע), הם עשויים להיות מקור לתפיסות השגויות שנדונו כנקודות דביקות. כתוצאה מכך, ייתכן שהתלמידים לא יזהו שתכונה חיונית של מערכות רגולציה הומאוסטטיות היא מזעור אות שגיאה. ייצוג פשטני של המודל הכולל את המרכיבים הקריטיים של המערכת הרגולטורית מוצג באיור 2. בהתאם לתוכן הקורס ולרמתו של התלמיד, ניתן להרחיב מודל זה כדי להוסיף רמות מורכבות נוספות בהתאם לנדרש.

ייצוג פשוט של מערכת רגולציה הומאוסטטית. מספר רכיבים המוצגים באיור 1 משולבים בייצוג זה. על הקורא להתייחס לטבלה 1 כדי למצוא התאמה בין רכיבים של מערכות רגולטוריות הומאוסטטיות משמעותיות מבחינה פיזיולוגית לבין ייצוג מפושט זה. לדוגמה, חיישני כימותרפיה בגופי הצוואר ובגוף אבי העורקים הם "חיישנים", גזע המוח הוא "מרכז הבקרה", והסרעפת ושרירי הנשימה האחרים הם "משפיעים במערכת הוויסות הביתית" עבור P o עורקי 2.

3. חברי הסגל צריכים להציג את הרעיון של ויסות הומאוסטטי בשלב מוקדם של הקורס ולהמשיך ליישם ולפיכך לחזק את המודל ככל שנתקל בכל מערכת הומאוסטטית חדשה. חשוב להמשיך ולהשתמש בטרמינולוגיה הסטנדרטית ובייצוג החזותי כפי שהומלץ בנקודה הראשונה והשנייה לעיל. תלמידים נוטים לא להכליל באופן ספונטני או בקלות את השימוש שלהם במושגי הליבה. לכן חובה על המדריך ליצור סביבת למידה שבה התנהגות העברה מסוג זה מקודמת. חברי סגל יכולים להקל על כך על ידי מתן הזדמנויות מרובות לסטודנטים לבדוק ולחדד את הבנתם את תפיסת הליבה של ויסות הומאוסטטי.

אחת הדרכים לחזק את היישום הרחב של המודל של הומאוסטזיס ולעזור לתלמידים להוכיח שהם מבינים כל מנגנון הומיאוסטטי מסוים היא לבקש מהם לשאול (ולענות) על סדרה של שאלות לגבי כל אחת מהמערכות המווסתות בצורה הומאוסטטית שהם נתקלים בהם (ראה טבלה 3). בכך, הם מדגימים שהם יכולים לקבוע את המרכיבים החיוניים של המודל המנטלי הדרושים להגדרת המערכת ההומיאוסטטית. המאמץ לענות בצורה יסודית ומדויקת על שאלות אלו יסייע לתלמידים לחשוף פערים בהבנתם ויחשוף אי ודאות במידע המשאב שבו הם משתמשים.

שולחן 3.

שאלות שתלמידים צריכים לשאול על כל מערכת מווסתת בצורה הומאוסטטית

מהו המשתנה המווסת בצורה הומאוסטטית? האם זה תכונה או מצב של הנוזל החוץ תאי?
מה והיכן החיישן?
מה ואיפה נמצא מרכז הבקרה?
מה ואיפה האפקטור(ים)? כיצד הם משנים את פעילותם כדי ליצור תגובה?
האם התגובה מובילה לשינוי במשתנה/גירוי המווסת בקנה אחד עם הפחתת אות שגיאה (משוב שלילי)?

4. חברי הסגל צריכים לנקוט בזהירות כשהם בוחרים ומסבירים את הדוגמאות הפיזיולוגיות או המודלים האנלוגיים שהם בחרו כדי להציג ולהמחיש הומאוסטזיס בכיתה. בפרט, על המדריכים לוודא שהדוגמאות המייצגות שבהן הם משתמשים לא יכניסו תפיסות מוטעות נוספות לחשיבת התלמידים. זה במיוחד כך כאשר ניתן להתייחס ל-thermregulation כדוגמה לוויסות הומאוסטטי.

סקר לא רשמי של ספרי לימוד בפיזיולוגיה הצביע על כך ש-thermregulation משמש כמעט אוניברסלית כדוגמה למנגנון הומאוסטטי.הסיבות הסבירות ביותר לבחירה זו הן 1) קיים תהליך יומיומי, קל לכאורה להבנה, הכולל ויסות של טמפרטורת האוויר בחדר או בבניין (כלומר, הפעלת תנור ומזגן) וכן 2) התגובות הפיזיולוגיות של הגוף ניתנות לצפייה ו/או חווית בדרך כלל וברור על ידי הלומד (הזעה, רעד ושינויים בצבע העור). עם זאת, בהתבסס על התיאור שלנו של מערכת הרגולציה ההומיאוסטטית האופיינית, ישנן סיבות משכנעות להמליץ ​​לנקוט זהירות אם משתמשים ב-thermoregulation כדוגמה הראשונית והמייצגת של הומאוסטזיס.

הדבר המדאיג ביותר, מערכת החימום והקירור הביתית האופיינית פועלת באופן השונה באופן מובהק ממנגנוני ויסות חום אנושי. האפקטורים ברוב הבתים, התנור והמזגן, פועלים באופן מלא/מלא. לדוגמה, כאשר הטמפרטורה בתרמוסטט יורדת מתחת לערך שהוגדר (טמפרטורת ההגדרה), התנור נדלק ונשאר דולק בתפוקה מקסימלית עד שהטמפרטורה חוזרת לערך ההגדרה. עם זאת, לא כך פועלת מערכת הרגולטורית התרמית האנושית או כיצד פועלים מנגנונים הומאוסטטיים אחרים. אחת ההשלכות הפוטנציאליות של שימוש במערכת מודל זו כדי להמחיש מערכת הומאוסטטית היא יצירת תפיסה מוטעית נפוצה של התלמידים לפיה מנגנונים הומאוסטטיים פועלים באופן הפעלה/כיבוי (12, 24), נקודה דביקה אליה התייחסנו לעיל. חברי הסגל צריכים לעזור לסטודנטים להתגבר על אזור בעיה זה אם הם בחרו להשתמש ב-thermregulation כדוגמה מייצגת של הומאוסטזיס.

אילו חלופות עשויות להיות מומלצות? אנו מציעים את בקרת השיוט לרכב כאנלוגי לא ביולוגי מועיל להומאוסטזיס. השימוש בבקרת שיוט אינו פעילות נדירה עבור סטודנטים, וכפי שתיארנו בעבר, תפעול בקרת שיוט קל להבנה תיאורטית. מה לגבי דוגמה פיזיולוגית לייצג הומאוסטזיס? סקירה של טבלה 1 תצביע על כך שלמערכת המתווכת באינסולין לוויסות הגלוקוז בדם בזמן האכלה יש הרבה מה להמליץ ​​עליה. סטודנטים מכירים בדרך כלל את פרטי המערכת מעבודות קורס קודמות או מניסיון אישי. מערכות אחרות צפויות להיות פחות נגישות לסטודנט המתחיל לפיזיולוגיה.

עם זאת, חברי הסגל צריכים להיות מודעים לכך שוויסות הגלוקוז בדם אינו חף מחסרונותיו כדוגמה מייצגת לוויסות הומיאוסטטי. לא קל לזהות או להסביר את פעולת חיישן הגלוקוז, נקודת ההגדרה והבקר המעורבים בהומאוסטזיס של גלוקוז. יתר על כן, כנראה שאין אנלוגי לוויסות גלוקוז מובנת רחבה שניתן לשאוב בקלות מחיי היומיום. לא בקרות שיוט, מערכות ניווט במטוסים, מיקוד אוטומטי במצלמות או דוגמאות נפוצות אחרות, וגם דוגמאות יומיומיות של מנגנוני סרוו לא תואמים לחלוטין את פעולת מערכת המשוב המעורבת בוויסות רמת הגלוקוז בדם בזמן האכלה. זה מצביע על הפשרות שיש לעשות כאשר מאמצים כל דוגמה או מודל מסוים כדי לייצג רגולציה הומאוסטטית. מתוך הכרה בכך, נראה שהשימוש במערכת בקרה פיזיולוגית כגון ויסות גלוקוז בזמן האכלה, שבו האפקטורים פועלים ברציפות, עדיף על פני ויסות תרמו כדוגמה מייצגת להוראת המושג ויסות הומאוסטטי.

5. כאשר דנים בדיונים בפיזיולוגיה של האורגניזמים, הגבל את השימוש במונח "רגולציה chomeostatic” למנגנונים הקשורים לשמירה על עקביות של הסביבה הפנימית (כלומר, ה-ECF).

אימוץ חמש האסטרטגיות הללו יספק לתלמידים מסגרת עקבית לבניית מודלים מנטליים משלהם של מנגנונים הומאוסטטיים ספציפיים ויעזור להם לזהות את קווי הדמיון התפקודיים בין מערכות ויסות הומיאוסטטיות שונות ברמת האורגניזם. בגלל היישום הנרחב שלו למערכות שונות בביולוגיה של האורגניזמים, הומאוסטזיס הוא אחד הרעיונות המאחדים החשובים ביותר בפיזיולוגיה (15, 16). כדי לבנות הבנה איתנה ומתמשכת של מושג זה, התלמידים צריכים את הכלים המתאימים. על ידי מתן טרמינולוגיה מדויקת ועקבית ועידודם להשתמש בייצוג ציורי סטנדרטי של המודל ההומאוסטטי, אנו מאפשרים להם לבנות בסיס ראוי להבנת מערכות הומאוסטטיות. על ידי הפיכת התלמידים מודעים למקורות הבלבול הפוטנציאליים סביב המושג הומאוסטזיס, כלומר הנקודות הדביקות, אנו עוזרים למנוע מהחשיבה שלהם להיות מוטעה או לא מובנת. על ידי כך, אנו מכינים את הבמה לתלמידים שלנו לפתח הבנה מדויקת של מגוון רחב של תופעות פיזיולוגיות ולהגיע לתחושה משולבת של ȁחכמת הגוף.”.


כיצד הומאוסטזיס שולט בקצב הלב?

הומאוסטזיס מווסת את קצב הלב ואת כל הפונקציות הפנימיות שלו כדי לשמור על שיווי משקל. לפי Biology Online, הומאוסטזיס משתמש במערכת משוב שלילי וחיובי כדי לשמור על גוף האדם פועל ביעילות.

החלק בגזע המוח השולט בקצב הלב הוא המדוללה. המדולה מעבירה מסרים כימיים ודחפים עצביים דרך פירמידות המדולה. לפי DHearts.com, פירמידות המדולה הן המקום שבו מתרחשת כל התקשורת לשרירים, לאיברים ואזורים אחרים בגוף. במהלך פעילות גופנית ותקופות של פעילות גבוהה, השרירים בגופך שולחים מסרים דרך גזע המוח אל המדולה. לאחר מכן המדולה משחררת שני הורמונים, אפינפרין ונוראפינפרין, אשר עוברים דרך גזע המוח אל הלב. ברגע ששני ההורמונים האלה מגיעים לצומת הסינוס, הם מעוררים דחפים חשמליים בשרירי הלב וגורמים לשריר הלב להתכווץ מהר יותר.

כאשר אתה מפסיק להתאמן או מפחית את רמת הפעילות שלך, השרירים בגוף שולחים מסר נוסף למדולה לשחרר אצטילכולין. הורמון זה מאט את התכווצויות הלב, ומאפשר ללב לנוח על ידי הפחתת קצב הלב.

לפי Biology Online, כל פעימה של הלב מזרימה דם וחמצן לשרירים ולאיברי הגוף, כדי שהם יוכלו לתפקד כראוי. בזמן שהחמצן מועבר לכל הגוף, פחמן דו חמצני מוסר כדי לשמור על כל התאים, האיברים, השרירים והדם נקיים ובריאים.


מחלה כחוסר איזון הומאוסטטי

אם לולאות משוב חיוביות ושליליות מושפעות או משתנות, עלולים להתרחש חוסר איזון הומאוסטטי וסיבוכים כתוצאה מכך.

מטרות למידה

לנתח מחלות כתוצאה מחוסר איזון הומאוסטטי

טייק אווי מפתח

נקודות מפתח

  • מחלות רבות הן תוצאה של חוסר איזון הומאוסטטי, חוסר יכולת של הגוף לשקם סביבה פנימית תפקודית ויציבה.
  • הזדקנות היא מקור לחוסר איזון הומיאוסטטי מכיוון שמנגנוני הבקרה של לולאות המשוב מאבדים את יעילותם, מה שעלול לגרום לאי ספיקת לב.
  • מחלות הנובעות מחוסר איזון הומאוסטטי כוללות אי ספיקת לב וסוכרת, אך קיימות דוגמאות רבות נוספות.
  • סוכרת מתרחשת כאשר מנגנון הבקרה של האינסולין הופך לחוסר איזון, בין אם משום שיש מחסור באינסולין או בגלל שהתאים הפכו לעמידים בפני אינסולין.
  • הומאוסטזיס היא היכולת של מערכת לווסת את הסביבה הפנימית שלה באמצעות שמירה על מערך יציב וקבוע יחסית של תכונות כמו טמפרטורה ו-pH.

מושגי מפתח

  • הומאוסטזיס: היכולת של מערכת או אורגניזם חי להתאים את סביבתו הפנימית לשמירה על שיווי משקל יציב, כגון היכולת של בעלי חיים בדם חם לשמור על טמפרטורת גוף קבועה.
  • סוכרתקבוצה של מחלות מטבוליות בהן יש לאדם או בעל חיים סוכר גבוה בדם עקב חוסר יכולת לייצר, לחילוף חומרים או להגיב לאינסולין.
  • ויסות סוכר בדם: חילוף החומרים של פחמימות ושומן מווסתים על ידי אינסולין, הורמון המיוצר על ידי הלבלב.

מהי מחלה?

מחלה היא כל כשל בתפקוד פיזיולוגי תקין שמוביל לתסמינים שליליים. בעוד שמחלה היא לרוב תוצאה של זיהום או פציעה, רוב המחלות כרוכות בשיבוש של הומאוסטזיס רגיל. כל דבר שמונע משוב חיובי או שלילי לפעול כראוי עלול להוביל למחלות אם מנגנוני ההפרעה יהיו חזקים מספיק.

ההזדקנות היא דוגמה כללית למחלות כתוצאה מחוסר איזון הומאוסטטי. ככל שאורגניזם מזדקן, היחלשות של לולאות משוב גורמת בהדרגה לסביבה פנימית לא יציבה. חוסר זה של הומאוסטזיס מגביר את הסיכון למחלות ואחראי לשינויים הגופניים הקשורים להזדקנות. אי ספיקת לב היא תוצאה של מנגנוני משוב שליליים שהופכים המומים, המאפשרים למנגנוני משוב חיובי הרסני לפצות על מנגנוני המשוב הכושלים. זה מוביל ללחץ דם גבוה ולהגדלת הלב, שבסופו של דבר הופך להיות נוקשה מכדי לשאוב דם ביעילות, וכתוצאה מכך אי ספיקת לב. אי ספיקת לב חמורה עלולה להיות קטלנית.

סוכרת: מחלה של הומאוסטזיס כושל

סוכרת, הפרעה מטבולית הנגרמת מעודף רמות הגלוקוז בדם, היא דוגמא מרכזית למחלות הנגרמות על ידי הומאוסטזיס כושל. בנסיבות אידיאליות, מנגנוני הבקרה ההומאוסטטיים צריכים למנוע חוסר איזון זה. עם זאת, אצל חלק מהאנשים המנגנונים אינם פועלים מספיק ביעילות או שכמות הגלוקוז בדם גדולה מכדי לנהל אותה ביעילות. במקרים אלה, יש צורך בהתערבות רפואית כדי לשחזר את ההומאוסטזיס ולמנוע נזק קבוע לאיברים.

תקנת סוכר בדם

גוף האדם שומר על רמות קבועות של גלוקוז לאורך היום, גם לאחר צום. בתקופות צום ארוכות, רמות הגלוקוז יורדות רק במעט מאוד. אינסולין מעביר גלוקוז לתאי הגוף לשימוש בתפקוד מטבולי תאי. התאים ממירים עודף גלוקוז לחומר בלתי מסיס בשם גליקוגן כדי למנוע ממנו להפריע למטבוליזם התאי. מכיוון שהדבר מוריד בסופו של דבר את רמות הגלוקוז בדם, אינסולין מופרש כדי למנוע היפרגליקמיה (רמות סוכר גבוהות בדם). הורמון אחר בשם גלוקגון מבצע את התפקוד ההפוך של אינסולין, גורם לתאים להמיר גליקוגן לגלוקוז וממריץ ייצור גלוקוז חדש (גלוקונאוגנזה) להעלאת רמות הסוכר בדם. משוב שלילי בין רמות האינסולין והגלוקגון שולט בהומאוסטזיס של סוכר בדם.

גורמים להפרעה הומאוסטטית

אנשים הסובלים מסוכרת מסוג 1 אינם מייצרים אינסולין בשל הרס חיסוני אוטומטי של התאים המייצרים אינסולין, בעוד שלאנשים הסובלים מסוכרת מסוג 2 יש רמות גבוהות של סוכר בדם הגורם לעמידות לאינסולין. עם סוכרת, הגלוקוז בדם מוגבר על ידי פעילות גלוקגון תקינה, אך היעדר או עמידות לאינסולין פירושו שרמות הסוכר בדם אינן מסוגלות לחזור למצב נורמלי. זה גורם לשינויים מטבוליים שגורמים לתסמינים של סוכרת כמו כלי דם מוחלשים והטלת שתן תכופה. סוכרת מטופלת בדרך כלל בזריקות אינסולין, המחליפות את המשוב השלילי החסר של הפרשות אינסולין תקינות.

הומאוסטזיס של מטבוליזם של גלוקוז: תמונה זו ממחישה את חילוף החומרים של גלוקוז במהלך היום. הומאוסטזיס עלול להיות לא מאוזן אם הלבלב לחוץ יתר על המידה, מה שהופך אותו לא מסוגל לאזן את חילוף החומרים של הגלוקוז. זה יכול להוביל לסוכרת.


הומאוסטזיס

העורכים שלנו יסקרו את מה ששלחת ויקבעו אם לשנות את המאמר.

הומאוסטזיס, כל תהליך ויסות עצמי שבאמצעותו מערכות ביולוגיות נוטות לשמור על יציבות תוך התאמה לתנאים אופטימליים להישרדות. אם הומאוסטזיס מצליח, החיים ממשיכים אם לא מצליחים, אסון או מוות. היציבות שהושגה היא למעשה שיווי משקל דינמי, שבו מתרחש שינוי מתמשך אך שוררים תנאים אחידים יחסית.

מהו הומאוסטזיס?

הומאוסטזיס הוא כל תהליך ויסות עצמי שבאמצעותו אורגניזם נוטה לשמור על יציבות תוך הסתגלות לתנאים הטובים ביותר להישרדותו. אם הומאוסטזיס מצליח, החיים ממשיכים אם הם לא מצליחים, זה מביא לאסון או למוות של האורגניזם. ה"יציבות" שאליה מגיע האורגניזם היא לעתים רחוקות סביב נקודה מדויקת (כגון טמפרטורת גוף האדם האידיאלית של 37 מעלות צלזיוס [98.6 מעלות פרנהייט]). היציבות מתרחשת כחלק משיווי משקל דינמי, שניתן לחשוב עליו כעל ענן של ערכים בטווח צפוף שבו מתרחש שינוי מתמשך. התוצאה היא ששוררים תנאים אחידים יחסית.

מהי דוגמה להומאוסטזיס ביצור חי?

בקרת טמפרטורת הגוף בבני אדם היא אחת הדוגמאות המוכרות ביותר להומאוסטזיס. טמפרטורת גוף רגילה נעה סביב 37 מעלות צלזיוס (98.6 מעלות פרנהייט), אך מספר גורמים יכולים להשפיע על ערך זה, כולל חשיפה לאלמנטים, הורמונים, קצב חילוף החומרים ומחלות, מה שמוביל לטמפרטורות גוף גבוהות או נמוכות מדי. ההיפותלמוס במוח מווסת את טמפרטורת הגוף, ומשוב על טמפרטורת הגוף מהגוף מועבר דרך זרם הדם למוח, מה שגורם להתאמות בקצב הנשימה, רמות הסוכר בדם וקצב חילוף החומרים. לעומת זאת, פעילות מופחתת, הזעה ותהליכי חילופי חום המאפשרים ליותר דם להסתובב ליד פני העור תורמים לאובדן חום. איבוד החום מופחת על ידי בידוד, ירידה בזרימת הדם לעור, לבגדים, למקלט ולמקורות חום חיצוניים.

מהי דוגמה להומאוסטזיס במערכת מכנית?

דוגמה מוכרת לוויסות הומיאוסטטי במערכת מכנית היא פעולתו של תרמוסטט, מכונה המווסתת את טמפרטורת החדר. במרכזו של תרמוסטט נמצא פס דו מתכתי המגיב לשינויי טמפרטורה. הרצועה מתרחבת בתנאים חמים יותר ומתכווצת בתנאים קרירים יותר כדי לשבש או להשלים מעגל חשמלי. כאשר החדר מתקרר, המעגל הושלם, התנור נדלק והטמפרטורה עולה. ברמה מוגדרת מראש, אולי 20 מעלות צלזיוס (68 מעלות פרנהייט), המעגל נשבר, התנור נעצר, ולא משתחרר חום נוסף לחדר. עם הזמן, הטמפרטורה יורדת לאט עד שהחדר מתקרר מספיק כדי להפעיל את התהליך שוב.

האם יש דוגמאות להומאוסטזיס במערכות אקולוגיות?

המושג הומאוסטזיס שימש גם במחקרים על מערכות אקולוגיות. האקולוג האמריקאי יליד קנדה רוברט מקארתור הציע לראשונה בשנת 1955 כי הומאוסטזיס במערכות אקולוגיות נובע ממגוון ביולוגי (מגוון החיים במקום נתון) ומהאינטראקציות האקולוגיות (טריפה, תחרות, פירוק וכו') המתרחשות בין המינים החיים שם. התנאי הומאוסטזיס שימש על ידי אקולוגים רבים כדי לתאר את האינטראקציה הלוך ושוב המתרחשת בין החלקים השונים של מערכת אקולוגית כדי לשמור על הסטטוס קוו. חשבו שסוג זה של הומאוסטזיס יכול לעזור להסביר מדוע יערות, שטחי עשב או מערכות אקולוגיות אחרות נמשכות (כלומר, נשארות באותו מקום לפרקי זמן ארוכים). מאז 1955 התפיסה השתנתה כדי לשלב את החלקים הלא חיים של המערכת האקולוגית, כגון סלעים, אדמה ומים.

כל מערכת בשיווי משקל דינמי נוטה להגיע למצב יציב, איזון שמתנגד לכוחות השינוי מבחוץ. כאשר מערכת כזו מופרעת, התקני רגולציה מובנים מגיבים ליציאות כדי ליצור איזון חדש תהליך כזה הוא של בקרת משוב. כל תהליכי האינטגרציה ותיאום התפקוד, בין אם בתיווך מעגלים חשמליים ובין אם על ידי מערכות עצבים והורמונליות, הם דוגמאות לוויסות הומאוסטטי.

דוגמה מוכרת לוויסות הומאוסטטי במערכת מכנית היא פעולתו של וסת טמפרטורת החדר, או תרמוסטט. לב התרמוסטט הוא פס דו מתכתי המגיב לשינויי טמפרטורה על ידי השלמת או שיבוש מעגל חשמלי. כאשר החדר מתקרר, המעגל הושלם, התנור פועל והטמפרטורה עולה. ברמה מוגדרת מראש המעגל נשבר, התנור נעצר והטמפרטורה יורדת. עם זאת, למערכות ביולוגיות, בעלות מורכבות רבה יותר, יש מווסתים הניתנים להשוואה באופן גס בלבד למכשירים מכניים כאלה. שני סוגי המערכות דומים, עם זאת, במטרותיהם - לקיים פעילות בטווחים שנקבעו, בין אם לשלוט בעובי הפלדה המגולגלת או בלחץ בתוך מערכת הדם.

השליטה בטמפרטורת הגוף בבני אדם היא דוגמה טובה להומאוסטזיס במערכת ביולוגית. בבני אדם, טמפרטורת הגוף הרגילה נעה סביב הערך של 37 מעלות צלזיוס (98.6 מעלות פרנהייט), אך גורמים שונים יכולים להשפיע על ערך זה, כולל חשיפה, הורמונים, קצב חילוף החומרים ומחלות, מה שמוביל לטמפרטורות גבוהות או נמוכות מדי. ויסות הטמפרטורה של הגוף נשלט על ידי אזור במוח הנקרא ההיפותלמוס. משוב לגבי טמפרטורת הגוף מועבר דרך זרם הדם אל המוח ומביא להתאמות מפצות בקצב הנשימה, ברמת הסוכר בדם ובקצב חילוף החומרים. איבוד חום בבני אדם נעזר בהפחתת הפעילות, על ידי הזעה ועל ידי מנגנוני חילופי חום המאפשרים כמויות גדולות יותר של דם להסתובב ליד פני העור. אובדן החום מופחת על ידי בידוד, ירידה בזרימת הדם לעור ושינוי תרבותי כגון שימוש בבגדים, מחסה ומקורות חום חיצוניים. הטווח בין רמות טמפרטורת גוף גבוהות לנמוכות מהווה את הרמה ההומיאוסטטית - הטווח ה"נורמלי" המקיים חיים. כאשר מתקרבים לכל אחד משני הקצוות, פעולה מתקנת (באמצעות משוב שלילי) מחזירה את המערכת לטווח הנורמלי.

הרעיון של הומאוסטזיס יושם גם על הגדרות אקולוגיות. הומאוסטזיס במערכות אקולוגיות שהוצע לראשונה על ידי האקולוג האמריקאי יליד קנדה רוברט מקארתור בשנת 1955, הוא תוצר של השילוב של המגוון הביולוגי ומספר רב של אינטראקציות אקולוגיות המתרחשות בין מינים. זה נחשב למושג שיכול לעזור להסביר את היציבות של מערכת אקולוגית - כלומר, התמדה שלה כסוג מערכת אקולוגית מסוימת לאורך זמן (לִרְאוֹת חוסן אקולוגי). מאז, התפיסה השתנתה מעט כדי לשלב את החלקים האביוטיים (הלא חיים) של המערכת האקולוגית. המונח שימש על ידי אקולוגים רבים כדי לתאר את ההדדיות המתרחשת בין החלקים החיים והלא חיים של המערכת האקולוגית כדי לשמור על המצב הקיים. השערת גאיה - המודל של כדור הארץ שהציב המדען האנגלי ג'יימס לאבלוק הרואה בחלקים החיים והלא חיים השונים שלו כמרכיבים של מערכת גדולה יותר או אורגניזם בודד - מניחה שהמאמץ הקולקטיבי של אורגניזמים בודדים תורם להומאוסטזיס ברמה הפלנטרית. היבט האורגניזם היחיד של השערת גאיה נחשב לשנוי במחלוקת מכיוון שהוא טוען שיצורים חיים, ברמה מסוימת, מונעים לעבוד מטעם הביוספרה ולא למען מטרת ההישרדות שלהם.

העורכים של אנציקלופדיה בריטניקה מאמר זה עודכן לאחרונה על ידי ג'ון פ. רפרטי, עורך.