Как математика может помочь нам понять человеческое тело
Ученые утверждают, что теория графов помогает биологам изучать гомеостаз, — пишет eurekalert.org.
Здоровые человеческие тела хорошо справляются с регулированием: наша температура остается на уровне 98,6 градусов по Фаренгейту, независимо от того, насколько высока или низка температура вокруг нас. Уровень сахара в крови остается довольно постоянным, даже когда мы выпиваем стакан сока. Мы удерживаем необходимое количество кальция в костях и в других частях нашего тела.
Мы не смогли бы выжить без этого регулирования, называемого гомеостазом. А когда системы выходят из строя, происходит болезнь, а иногда смерть.
В презентациях на ежегодном собрании Американской ассоциации
содействия развитию науки исследователи утверждали, что
математика может помочь объяснить и предсказать эти сбои,
потенциально предлагая новые способы для предотвращения и лечения
в ситуациях, когда что-то идет не так.
Гомеостаз «является биологическим явлением, и без него биологические системы не работают, — сказал Марти Голубицкий, один из докладчиков и выдающийся профессор естественных и математических наук в Университете штата Огайо. – И, если бы у вас были подробные, точные математические модели, вы могли бы численно исследовать эти системы, найти места, где этот контроль действительно происходит, а где есть сбой, и понять, как это исправить».
Ученые хорошо разбираются в биологических причинах, по которым происходит это регулирование: определенные системы в наших телах должны оставаться постоянными, чтобы функционировать и поддерживать наши тела. Однако математика, лежащая в основе этого, менее достоверна.
Но понимание гомеостаза, в том числе прогнозирование его
изменений и расчет способов поддержания тела в регуляции,
несмотря на сбои в системах организма, которые управляют этими
регуляторами, может быть способом оказания целевой медицинской
помощи людям, которые в ней нуждаются, сказала Джанет Бест
профессор математики в штате Огайо.
«Это часть точной медицины», — сказал Бест, который также является со-директором Института математических биологических наук штата Огайо. «Люди разные, и вам нужна модель, которая может работать с разными людьми. И мы думаем, что это то, что мы здесь разработали».
Исследователи из MBI и других институтов, изучающие взаимосвязь математики и биологии, построили модели, объясняющие, как организм поддерживает гомеостаз в различных системах. В основе этих моделей лежит граф — математическая концепция, которая пытается объяснить, как объекты связаны друг с другом. (Если вы изучали алгебру или геометрию в средней школе, вы, вероятно, выучили некоторые основы теории графов.)
Голубицкий и Бест сказали, что теория графов может помочь
объяснить и предсказать изменения гомеостаза в организме. По их
словам, это объяснение может быть полезно биологам и другим
специалистам, ищущим способы вмешательства в случае нарушения
гомеостаза. Этот распад вызывает ряд проблем — например, может
выражаться переизбытком глюкозы в крови человека или
недостаточным количеством кальция в его костях.
Презентации AAAS были сосредоточены как на графике, который моделирует, как организм регулирует уровень дофамина посредством гомеостаза, так и на том, как теория графов помогает определить свойства графиков, которые могут помочь предсказать гомеостаз. Голубицкий и Бест описали, как дофамин и ферменты, которые его расщепляют, могут быть представлены в виде математической формулы, связанной с графиком.
Они показали, что, вычисляя изменения в узлах, можно рассчитать или предсказать изменения в уровнях дофамина. По словам Голубицкого, этот подход может быть распространен на другие системы, хотя для уверенности необходимы дальнейшие исследования. По его словам, это исследование уже ведется.
«Гомеостаз — достаточно важная область биологии, и если математика может что-то сделать для него, то это успех», — сказал он.
[Фото: ru.123rf.com/profile_siberianart]
Адаптационные изменения гомеостаза под влиянием высокоинтенсивных физических нагрузок
Адаптационные изменения в организме спортсменов под влиянием физических нагрузок являются важным звеном в повышении физической работоспособности.
Вместе с тем отсутствие правильной организации тренировочного процесса в соответствии с индивидуальными возможностями спортсменов может являться причиной срыва адаптации.
Проблема оценки адаптации организма спортсменов к тренировочным нагрузкам имеет не только биологическую, но и социальную значимость в связи с тесной взаимосвязью адаптационных процессов к физическим нагрузкам и сохранением здоровья спортсменов, поэтому поиск надежных методов оценки адаптации является актуальным. Один из векторов поиска таких методов лежит в области изучения динамики клеточного состава периферической крови спортсменов под влиянием физических нагрузок [1-4]. Значительный вклад в разработку данной проблемы внесли Л.Х. Гаркави и соавт. [1, 2], которые высказали и обосновали предположение, что в ответ на действие различных по интенсивности раздражителей развиваются различные по качеству неспецифические адаптационные реакции организма (НАРО), являющиеся неспецифическими, комплексными и характеризующиеся автоматизмом.
В зарубежных исследованиях также уделяется значительное внимание изучению динамики количества лимфоцитов и нейтрофилов под влиянием физических нагрузок. В отдельных работах отражена идея целесообразности использования коэффициента соотношения нейтрофилы-лимфоциты для оценки стрессорности воздействия физических нагрузок и скорости последующего восстановления у спортсменов [5-8], а также лиц, не занимающихся профессиональным спортом [9, 10], и животных [11]. Вместе с тем в настоящее время в литературе недостаточно сведений о взаимосвязи типа адаптационных реакций и характера метаболических изменений под влиянием физических нагрузок.
Цель исследования — оценка состояния метаболизма при различных типах адаптационных реакций, определяемых на основании соотношения нейтрофилов и лимфоцитов в периферической крови, у спортсменов высокой квалификации (на примере биатлона и лыжных гонок).
Пациенты и методы
В исследовании приняли участие 11 высококвалифицированных спортсменок (мастера спорта — МС и мастера спорта международного класса — МСМК) в возрасте 21-29 лет, специализирующихся в биатлоне и лыжных гонках. Спортсменки многократно подвергались биохимическому и гематологическому обследованию в начале тренировочных микроциклов в подготовительном периоде. Исследования проводили с использованием гематологического анализатора XT 2000i («Sysmex», Япония), фотометра РМ 2111 («Солар», Республика Беларусь) и микропланшетного фотометра SUNRISE («Tecan», Австрия). Всего в проведенной работе обработаны результаты 1869 биохимических и гематологических обследований на протяжении подготовительного периода в нескольких циклах подготовки. Тип адаптационной реакции определяли по методике, разработанной Л.Х. Гаркави и соавт. [1-2] и адаптированной применительно к спортсменам Г.А. Макаровой [4], согласно которой в основу типа адаптационной реакции положено соотношение лимфоцитов и нейтрофилов периферической крови ( табл.
1).
В качестве статистических методов использованы методы описательной статистики и сравнительного анализа выборок с использованием U-критерия Манна-Уитни для независимых переменных.
На каждом уровне адаптационных реакций оценивали наличие отклонений биохимических показателей выше границ референтного диапазона.
Результаты и обсуждение
Частота встречаемости различных типов адаптационных реакций в подготовительном периоде была следующая: реакция хронического стресса — 3,8%, тренировки — 16,2%, спокойной активации — 28,6%, повышенной активации — 29,0%, переактивации — 22,4%. Доминирующим типом НАРО являлись реакции активации, как спокойной, так и повышенной. Анализируя последовательность возникновения адаптационных реакций с учетом этапа подготовительного периода, следует отметить более высокую встречаемость реакций стрессорного типа (хронического стресса и переактивации) на общеподготовительном этапе, по сравнению с этапом специальной подготовки, а также возрастание доли реакций, характеризующихся антистрессорным характером (реакции тренировки, спокойной и повышенной активации).
В значительной степени при переходе от обще- к специально-подготовительному этапу отмечают снижение частоты возникновения реакции переактивации с 30,6 до 18,9%. При этом на специально-подготовительном этапе существенным образом увеличивается встречаемость реакции повышенной активации (21,0 и 32,4% на общем и специальном этапе соответственно) и тренировки (9,7 и 18,7% соответственно), которые по своей сути обладают антистрессорным характером и отличаются высокой функциональной активностью клеточного иммунитета, эндокринных желез и центральной нервной системы.
Метаболические процессы характеризуются анаболической направленностью. Отличительной особенностью энергетического обмена при этих типах реакции является сбалансированность процессов образования энергетических субстратов и их потребления. В
Как видно из представленных в табл. 2 данных, реакции стресса и переактивации характеризуются большим напряжением метаболизма по сравнению с другими адаптационными реакциями. Например, активность креатининфосфокиназы (КФК) на этих уровнях адаптационных реакций составляет 226,8±28,3 Ед/л для реакции хронического стресса и 256,8±38,3 Ед/л для переактивации, что достоверно выше, чем при реакции тренировки (137,5±9,3 Ед/л) (p<0,05). Активность КФК при реакции хронического стресса и переактивации превышает верхнюю границу референтного интервала для данного фермента, что свидетельствует о наличии неблагоприятных процессов в мышечных клетках, приводящих к увеличению проницаемости их мембран и выходу фермента в периферическую кровь.
Несмотря на то что для реакции переактивации характерны отклонения в лейкоцитарной формуле, противоположные реакции хронического стресса, их объединяет наличие неблагоприятных для организма состояний, которые могут представлять собой неспецифическую основу различных заболеваний [1, 2]. Реакция переактивации сопровождается резким повышением глюкокортикоидов, минералокортикоидов, гормонов щитовидной железы. Это составляет основу для высокой напряженности метаболических процессов. При этом отсутствует сбалансированность в расходовании и воспроизводстве энергосубстратов, и скорость расхода энергоисточников превышает их образование, что приводит к истощению запасов энергосубстратов. Преобладают катаболические процессы. Биологический смысл реакции переактивации заключается в попытке сохранить напряженную реакцию в ответ на значительные физические нагрузки без перевода в стресс.
Для другого важного в мониторинге физических нагрузок фермента аспарагиновой трансаминазы (АСТ) также отмечаются достоверно более высокие значения его активности для реакций хронического стресса (35,2±2,9 Ед/л) и переактивации (34,2±2,0 Ед/л) по сравнению со спокойной (26,2±1,4 Ед/л) и повышенной активацией (29,0±1,5 Ед/л) (p<0,05), хотя выход за пределы референтных интервалов в данном случае не наблюдается.
Реакции активации характеризуются оптимальными значениями фермента, что связано с высокой степенью сбалансированности метаболических процессов при этих типах НАРО. При реакции повышенной активации возрастает активность органов лимфатической системы, клеточного иммунитета, секреции гормонов щитовидной железы, половых желез, гормонов гипофиза. При реакции спокойной активации это повышение лежит в пределах верхней половины зоны нормы, а при реакции повышенной активации захватывает верхнюю треть зоны нормы, верхнюю границу нормы и несколько выше [1, 2]. При реакциях спокойной и повышенной активации преобладают процессы анаболической направленности, особенно при повышенной активации.
Реакции тренировки свойственны процессы накопления энергетических субстратов, которые превышают расходы на энергообеспечение мышечной деятельности. В нашем исследовании на протяжении длительного периода наблюдений содержание глюкозы в периферической крови при реакции тренировки было самым высоким (4,49±0,10 ммоль/л) и достоверно превышало аналогичный показатель при реакциях спокойной и повышенной активации (4,11±0,06 и 4,19±0,06 ммоль/л) (p<0,05).
Авторы адаптационной теории связывают биологический смысл реакции тренировки с сохранением гомеостаза в пределах нижней половины зоны нормы. В первую очередь это касается продукции половых гормонов, гормонов щитовидной железы и гипофиза. При этом продукция глюкокортикоидов соответствует верхней половине зоны нормы. В случае возникновения реакции тренировки наблюдается невысокая активность катаболических и анаболических процессов с незначительным преобладанием анаболизма.
Реакция хронического стресса и переактивации в нашем исследовании ассоциируется с более высокими значениями активности фермента аланиновой трансаминазы (АЛТ) по сравнению с другими типами адаптационных реакций. При реакции переактивации превышение носит достоверный характер по сравнению с реакциями спокойной и повышенной активации (26,3±1,3, 23,2±0,9 и 22,8±0,9 Ед/л соответственно) (p<0,05).
Что касается гормонального статуса, то следует отметить, что реакция повышенной активации характеризуется более низкими значениями кортизола (540,3±21,0 нмоль/л) по сравнению с переактивацией (648,2±45,1 ммоль/л) и реакцией тренировки (623,7±36,9 ммоль/л) (p<0,05).
Важным аспектом в проведенном исследовании явилось наличие оптимального состояния метаболизма, характеризующегося соответствующими значениями биохимических показателей, при реакциях антистрессорного типа. При этих реакциях происходит самая быстрая и адекватная перестройка систем организма в ответ на тренировочное воздействие.
Детальный анализ отклонений биохимических показателей от референтных границ для спортсменов (в %), свидетельствующий об ухудшении переносимости тренировочных нагрузок, показал наибольшее количество отклонений при реакциях хронического стресса и переактивации по сравнению с реакциями антистрессорного типа. Например, самая высокая частота встречаемости возрастания содержания мочевины выше границ референтного интервала для спортсменов отмечалась при реакции хронического стресса, затем снижалась и достигала минимальных значений при реакции спокойной активации. При реакции хронического стресса также наблюдалась высокая встречаемость отклонений в активности ферментов КФК и АСТ.
При реакциях тренировки и спокойной и повышенной активации, антистрессорный характер которых реализуется за счет оптимизации работы регуляторных и защитных систем организма, количество отклонений в состоянии метаболизма снижается. То есть возникновение напряженных НАРО у спортсменов ассоциируется с отклонениями от нормы биохимических показателей, отражающих снижение адаптации к тренировочным нагрузкам и возникновение элементов напряженности метаболизма. В этом случае возникновение реакций стрессорного типа в ответ на невысокие тренировочные нагрузки может снизить эффективность тренировочного процесса за счет ухудшения переносимости тренировочных нагрузок.
В свою очередь благоприятные НАРО создают предпосылки на метаболическом уровне для повышения резервов адаптации к тренировочным нагрузкам и, соответственно, возрастанию эффективности тренировочного процесса.
Выводы
1. Анализ результатов многолетних наблюдений показал, что возникновение неспецифических адаптационных реакций, характеризующихся антистрессорным характером, в биохимическом плане в значительной степени связано с адекватными метаболическими изменениями под влиянием тренировочных нагрузок и, соответственно, является условием для адекватной срочной и долговременной адаптации организма спортсмена к физической нагрузке и повышению его работоспособности.
2. Тип и характер напряженных адаптационных реакций характеризуется возрастанием «метаболической стоимости» выполненных физических нагрузок, что может служить фоном для снижения скорости течения адаптационных процессов к тренировочным нагрузкам. Кроме того, целенаправленное возникновение и поддержание антистрессорных реакций организма с оптимальным метаболизмом в ходе тренировочного процесса на определенном этапе может способствовать улучшению переносимости тренировочных нагрузок.
Конфликт интересов отсутствует.
Участие авторов:
Дизайн исследования, литературный обзор: И.Р.
Выполнение экспериментальных исследований, сбор эмпирических данных: А.Н.
Обработка и обобщение данных, научные выводы и рекомендации: А.М.
Что такое гомеостаз? | Живая наука
Люди полагаются на гомеостаз, чтобы поддерживать внутреннюю температуру около 98,6 градусов по Фаренгейту, чтобы их тела могли нормально функционировать.
(Изображение предоставлено Shutterstock)Гомеостаз — это способность поддерживать относительно стабильное внутреннее состояние, которое сохраняется, несмотря на изменения во внешнем мире. Все живые организмы, от растений до щенков и людей, должны регулировать свою внутреннюю среду, чтобы перерабатывать энергию и в конечном итоге выживать. Например, если ваше кровяное давление резко подскочило или температура тела резко упала, ваши системы органов могут с трудом выполнять свою работу и в конечном итоге перестанут работать.
Почему важен гомеостаз?
Физиолог Уолтер Кэннон ввел термин «гомеостаз» в 1920-х годах, расширив предыдущую работу покойного физиолога Клода Бернара. В 1870-х годах Бернар описал, как сложные организмы должны поддерживать баланс в своей внутренней среде, или «внутренней среде , », , чтобы вести «свободную и независимую жизнь» в потустороннем мире. Кэннон усовершенствовал концепцию и представил гомеостаз широкой публике в своей книге «Мудрость тела» 9.
0007 (Британский медицинский журнал, 1932 г.).
Провозглашенное основным принципом физиологии, основное определение гомеостаза, данное Кэнноном, используется и сегодня. Термин происходит от греческих корней, означающих «подобный» и «состояние стабильности». Приставка «гомео» подчеркивает, что гомеостаз не работает как термостат или круиз-контроль в автомобиле, фиксированный на одной точной температуре или скорости. Вместо этого гомеостаз удерживает важные физиологические факторы в приемлемом диапазоне значений , согласно обзору в журнале Appetite .
Родственный: Всегда ли средняя температура человеческого тела была одинаковой?
Организм человека, например, регулирует внутреннюю концентрацию водорода, кальция, калия и натрия, заряженных частиц, которые необходимы клеткам для нормального функционирования. Гомеостатические процессы также поддерживают уровень воды, кислорода, pH и сахара в крови, а также внутреннюю температуру тела, согласно обзору 2015 года, опубликованному в журнале Advances in Physiology Education .
В здоровых организмах гомеостатические процессы развиваются постоянно и автоматически, согласно журналу Scientific American . Несколько систем часто работают в тандеме, чтобы поддерживать постоянный физиологический фактор, такой как температура тела. Если эти меры дают сбои или терпят неудачу, организм может заболеть или даже умереть.
Как поддерживается гомеостаз?
Многие гомеостатические системы прислушиваются к сигналам бедствия от тела, чтобы знать, когда ключевые переменные выходят за пределы допустимого диапазона. Нервная система обнаруживает эти отклонения и сообщает об этом в центр управления, часто находящийся в мозгу. Затем центр управления направляет мышцы, органы и железы на устранение нарушений. Согласно онлайн-учебнику «Анатомия и физиология» (открывается в новой вкладке), постоянная петля нарушений и приспособлений известна как «отрицательная обратная связь».
Например, человеческое тело поддерживает внутреннюю температуру около 98,6 градусов по Фаренгейту (37 градусов по Цельсию).
При перегреве термодатчики в коже и мозге подают сигнал тревоги, запуская цепную реакцию, которая заставляет тело потеть и краснеть. При охлаждении тело реагирует дрожью и снижением кровоснабжения кожи. Аналогичным образом, согласно двум исследованиям, финансируемым NIH , при резком скачке уровня натрия организм дает сигнал почкам сохранять воду и выводить избыток соли с концентрированной мочой.
Животные также корректируют свое поведение в ответ на отрицательную обратную связь. Например, при перегреве мы можем сбросить слой одежды, уйти в тень или выпить стакан холодной воды.
Современные модели гомеостаза
Концепция отрицательной обратной связи восходит к описанию гомеостаза Кэнноном в 1920-х годах и была первым объяснением того, как работает гомеостаз. Но в последние десятилетия многие ученые утверждали, что организмы способны предвидеть потенциальные нарушения гомеостаза, а не реагировать на них постфактум.
Эта альтернативная модель гомеостаза, известная как аллостаз, подразумевает, что идеальная уставка для конкретной переменной может смещаться в ответ на преходящие изменения окружающей среды, согласно статье 2015 года в Psychological Review .
Точка может смещаться под влиянием циркадных ритмов, менструальных циклов или суточных колебаний температуры тела. Уставки также могут меняться в ответ на физиологические явления, такие как лихорадка, или для компенсации нескольких гомеостатических процессов, происходящих одновременно, согласно обзору 2015 года в журнале «Достижения в физиологическом образовании» (открывается в новой вкладке).
«Уставки сами по себе не являются фиксированными, но могут проявлять адаптивную пластичность», — сказал Арт Вудс, биолог из Университета Монтаны в Миссуле. «Эта модель позволяет заблаговременно реагировать на предстоящие потенциальные нарушения заданных значений».
Например, в преддверии приема пищи организм выделяет больше инсулина, грелина и других гормонов, согласно обзору журнала Appetite за 2007 год . Эта превентивная мера подготавливает тело к притоку калорий, а не к борьбе за контроль уровня сахара в крови и запасов энергии.
Способность изменять заданные значения позволяет животным адаптироваться к краткосрочным стрессорам, но они могут потерпеть неудачу перед лицом долгосрочных проблем, таких как изменение климата.
«Активация систем гомеостатического реагирования может работать на короткие промежутки времени», — сказал Вудс. Но они не предназначены для длительного использования. «Гомеостатические системы могут катастрофически выйти из строя, если они задвинуты слишком далеко; поэтому, хотя системы могут быть в состоянии справиться с краткосрочными новыми климатическими условиями, они могут быть не в состоянии справиться с большими изменениями в течение более длительных периодов времени».
Гомеостатические точки могут быть адаптивными. Например, в преддверии приема пищи организм дополнительно выделяет инсулин, грелин и другие гормоны, чтобы подготовить организм к поступающей пище. (Изображение предоставлено Getty)«Информационная гипотеза» гомеостаза
Гомеостатические системы, возможно, изначально развились, чтобы помочь организмам поддерживать оптимальные функции в различных средах и ситуациях. Но, согласно эссе 2013 года в журнале Trends in Ecology & Evolution , некоторые ученые предполагают, что гомеостаз в первую очередь обеспечивает «спокойный фон» для общения клеток, тканей и органов друг с другом.
Теория утверждает, что гомеостаз облегчает организмам извлечение важной информации из окружающей среды и передачу сигналов между частями тела.
СВЯЗАННЫЕ ИСТОРИИ
Независимо от своей эволюционной цели, гомеостаз формировал исследования в науках о жизни почти столетие. Хотя гомеостатические процессы в основном обсуждаются в контексте физиологии животных, они также позволяют растениям управлять запасами энергии, питать клетки и реагировать на вызовы окружающей среды. Помимо биологии, социальные науки, кибернетика, информатика и инженерия используют гомеостаз в качестве основы для понимания того, как люди и машины сохраняют стабильность, несмотря на сбои.
Дополнительные ресурсы
Посмотрите полезную графику о гомеостазе от Академии Хана (откроется в новой вкладке). Узнайте, как гомеостаз влияет на физиологию человека, с помощью ускоренного курса (открывается в новой вкладке). Посмотрите это видео от Amoeba Sisters (откроется в новой вкладке), чтобы узнать больше об отрицательных отзывах.
Первоначально опубликовано на Live Science.
Николетта Ланезе — штатный автор Live Science, освещающая здоровье и медицину, а также ряд статей о биологии, животных, окружающей среде и климате. Она имеет ученые степени в области неврологии и танца Университета Флориды и диплом о высшем образовании в области научной коммуникации Калифорнийского университета в Санта-Круз. Ее работы публиковались в журналах The Scientist Magazine, Science News, The San Jose Mercury News и Mongabay, а также в других изданиях.
Что такое гомеостаз? | Живая наука
Люди полагаются на гомеостаз, чтобы поддерживать внутреннюю температуру около 98,6 градусов по Фаренгейту, чтобы их тела могли нормально функционировать. (Изображение предоставлено Shutterstock) Гомеостаз — это способность поддерживать относительно стабильное внутреннее состояние, которое сохраняется, несмотря на изменения во внешнем мире. Все живые организмы, от растений до щенков и людей, должны регулировать свою внутреннюю среду, чтобы перерабатывать энергию и в конечном итоге выживать.
Например, если ваше кровяное давление резко подскочило или температура тела резко упала, ваши системы органов могут с трудом выполнять свою работу и в конечном итоге перестанут работать.
Почему важен гомеостаз?
Физиолог Уолтер Кэннон ввел термин «гомеостаз» в 1920-х годах, расширив предыдущую работу покойного физиолога Клода Бернара. В 1870-х годах Бернар описал, как сложные организмы должны поддерживать баланс в своей внутренней среде, или «внутренней среде , », , чтобы вести «свободную и независимую жизнь» в потустороннем мире. Кэннон усовершенствовал концепцию и представил гомеостаз широкой публике в своей книге «Мудрость тела» 9.0007 (Британский медицинский журнал, 1932 г.).
Провозглашенное основным принципом физиологии, основное определение гомеостаза, данное Кэнноном, используется и сегодня. Термин происходит от греческих корней, означающих «подобный» и «состояние стабильности». Приставка «гомео» подчеркивает, что гомеостаз не работает как термостат или круиз-контроль в автомобиле, фиксированный на одной точной температуре или скорости.
Вместо этого гомеостаз удерживает важные физиологические факторы в приемлемом диапазоне значений , согласно обзору в журнале Appetite .
Родственный: Всегда ли средняя температура человеческого тела была одинаковой?
Организм человека, например, регулирует внутреннюю концентрацию водорода, кальция, калия и натрия, заряженных частиц, которые необходимы клеткам для нормального функционирования. Гомеостатические процессы также поддерживают уровень воды, кислорода, pH и сахара в крови, а также внутреннюю температуру тела, согласно обзору 2015 года, опубликованному в журнале Advances in Physiology Education .
В здоровых организмах гомеостатические процессы развиваются постоянно и автоматически, согласно журналу Scientific American . Несколько систем часто работают в тандеме, чтобы поддерживать постоянный физиологический фактор, такой как температура тела. Если эти меры дают сбои или терпят неудачу, организм может заболеть или даже умереть.
Как поддерживается гомеостаз?
Многие гомеостатические системы прислушиваются к сигналам бедствия от тела, чтобы знать, когда ключевые переменные выходят за пределы допустимого диапазона. Нервная система обнаруживает эти отклонения и сообщает об этом в центр управления, часто находящийся в мозгу. Затем центр управления направляет мышцы, органы и железы на устранение нарушений. Согласно онлайн-учебнику «Анатомия и физиология» (открывается в новой вкладке), постоянная петля нарушений и приспособлений известна как «отрицательная обратная связь».
Например, человеческое тело поддерживает внутреннюю температуру около 98,6 градусов по Фаренгейту (37 градусов по Цельсию). При перегреве термодатчики в коже и мозге подают сигнал тревоги, запуская цепную реакцию, которая заставляет тело потеть и краснеть. При охлаждении тело реагирует дрожью и снижением кровоснабжения кожи. Аналогичным образом, согласно двум исследованиям, финансируемым NIH , при резком скачке уровня натрия организм дает сигнал почкам сохранять воду и выводить избыток соли с концентрированной мочой.
Животные также корректируют свое поведение в ответ на отрицательную обратную связь. Например, при перегреве мы можем сбросить слой одежды, уйти в тень или выпить стакан холодной воды.
Современные модели гомеостаза
Концепция отрицательной обратной связи восходит к описанию гомеостаза Кэнноном в 1920-х годах и была первым объяснением того, как работает гомеостаз. Но в последние десятилетия многие ученые утверждали, что организмы способны предвидеть потенциальные нарушения гомеостаза, а не реагировать на них постфактум.
Эта альтернативная модель гомеостаза, известная как аллостаз, подразумевает, что идеальная уставка для конкретной переменной может смещаться в ответ на преходящие изменения окружающей среды, согласно статье 2015 года в Psychological Review . Точка может смещаться под влиянием циркадных ритмов, менструальных циклов или суточных колебаний температуры тела. Уставки также могут меняться в ответ на физиологические явления, такие как лихорадка, или для компенсации нескольких гомеостатических процессов, происходящих одновременно, согласно обзору 2015 года в журнале «Достижения в физиологическом образовании» (открывается в новой вкладке).
«Уставки сами по себе не являются фиксированными, но могут проявлять адаптивную пластичность», — сказал Арт Вудс, биолог из Университета Монтаны в Миссуле. «Эта модель позволяет заблаговременно реагировать на предстоящие потенциальные нарушения заданных значений».
Например, в преддверии приема пищи организм выделяет больше инсулина, грелина и других гормонов, согласно обзору журнала Appetite за 2007 год . Эта превентивная мера подготавливает тело к притоку калорий, а не к борьбе за контроль уровня сахара в крови и запасов энергии.
Способность изменять заданные значения позволяет животным адаптироваться к краткосрочным стрессорам, но они могут потерпеть неудачу перед лицом долгосрочных проблем, таких как изменение климата.
«Активация систем гомеостатического реагирования может работать на короткие промежутки времени», — сказал Вудс. Но они не предназначены для длительного использования. «Гомеостатические системы могут катастрофически выйти из строя, если они задвинуты слишком далеко; поэтому, хотя системы могут быть в состоянии справиться с краткосрочными новыми климатическими условиями, они могут быть не в состоянии справиться с большими изменениями в течение более длительных периодов времени».
«Информационная гипотеза» гомеостаза
Гомеостатические системы, возможно, изначально развились, чтобы помочь организмам поддерживать оптимальные функции в различных средах и ситуациях. Но, согласно эссе 2013 года в журнале Trends in Ecology & Evolution , некоторые ученые предполагают, что гомеостаз в первую очередь обеспечивает «спокойный фон» для общения клеток, тканей и органов друг с другом. Теория утверждает, что гомеостаз облегчает организмам извлечение важной информации из окружающей среды и передачу сигналов между частями тела.
СВЯЗАННЫЕ ИСТОРИИ
Независимо от своей эволюционной цели, гомеостаз формировал исследования в науках о жизни почти столетие. Хотя гомеостатические процессы в основном обсуждаются в контексте физиологии животных, они также позволяют растениям управлять запасами энергии, питать клетки и реагировать на вызовы окружающей среды.
Помимо биологии, социальные науки, кибернетика, информатика и инженерия используют гомеостаз в качестве основы для понимания того, как люди и машины сохраняют стабильность, несмотря на сбои.
Дополнительные ресурсы
Посмотрите полезную графику о гомеостазе от Академии Хана (откроется в новой вкладке). Узнайте, как гомеостаз влияет на физиологию человека, с помощью ускоренного курса (открывается в новой вкладке). Посмотрите это видео от Amoeba Sisters (откроется в новой вкладке), чтобы узнать больше об отрицательных отзывах.
Первоначально опубликовано на Live Science.
Николетта Ланезе — штатный автор Live Science, освещающая здоровье и медицину, а также ряд статей о биологии, животных, окружающей среде и климате. Она имеет ученые степени в области неврологии и танца Университета Флориды и диплом о высшем образовании в области научной коммуникации Калифорнийского университета в Санта-Круз. Ее работы публиковались в журналах The Scientist Magazine, Science News, The San Jose Mercury News и Mongabay, а также в других изданиях.