Гомеостаз – это способность поддерживать относительно стабильное внутреннее состояние, которое сохраняется, несмотря на изменения во внешнем мире. Все живые организмы, от растений до 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 функцию и в конечном итоге перестанут работать.
Изображение: Shutterstock
Почему важен гомеостаз?
Физиолог Уолтер Кеннон (Walter Cannon) ввёл термин «гомеостаз» в 1920-х годах, развив предыдущую работу покойного физиолога Клода Бернара (Claude Bernard). В 1870-х годах Бернар описал, как сложные организмы должны поддерживать баланс в своей внутренней среде, чтобы вести «свободную и независимую жизнь» во внешнем мире. Кеннон же усовершенствовал эту концепцию и представил гомеостаз широкой публике в своей книге «The Wisdom of the Body» («Мудрость тела»).
Основное определение гомеостаза Кеннона, провозглашённое основным принципом физиологии, используется и сегодня. Термин имеет греческие корни, означающие «похожий/подобный» и «состояние стабильности». Приставка «гомео» подчёркивает, 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 пределах приемлемого диапазона значений, согласно обзору в журнале Appetite.
Человеческий организм, например, регулирует свои внутренние концентрации водорода, кальция, калия и натрия — заряженных частиц, на которые клетки полагаются для нормального функционирования. Согласно обзору 2015 года в журнале Advances in Physiology Education, гомеостатические процессы также поддерживают уровень воды, кислорода, рН и сахара в крови, а также температуру тела.
Согласно журналу Scientific American, в здоровых организмах гомеостатические процессы развиваются постоянно и автоматически. 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, поступающим от организма, чтобы узнать, когда ключевые переменные выходят за пределы допустимого диапазона. Нервная система обнаруживает эти отклонения и сообщает об этом в центр управления, часто находящийся в мозге. Затем центр управления направляет мышцы, органы и железы на устранение нарушений. Согласно онлайн-учебнику Anatomy and Physiology, постоянный цикл нарушений и приспособлений известен 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 организм 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 даёт сигнал почкам экономить 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 Кенноном в 1920-х годах и была первым объяснением того, как работает гомеостаз. Но в последние десятилетия многие учёные утверждают, что организмы способны предвидеть потенциальные нарушения гомеостаза, а не реагировать на них постфактум.
Эта альтернативная модель гомеостаза, известная как аллостаз, подразумевает, что идеальная уставка (значение некоторой величины или параметра, по достижении которого происходит изменение состояния системы) для определённой переменной может меняться в ответ на временные изменения окружающей среды, согласно статье 2015 года, опубликованной в Psychological Review. Уставка может смещаться под влиянием циркадных ритмов, менструальных циклов или суточных колебаний температуры тела. Согласно обзору 2015 года в журнале Advances in Physiology Education, заданные значения могут также изменяться в ответ на физиологические явления, такие как лихорадка, или для компенсации нескольких гомеостатических процессов, происходящих одновременно.
«Уставки сами по себе не являются фиксированными, но могут проявлять адаптивную пластичность, — сказал Арт Вудс (Art Woods), биолог из Университета Монтаны в Миссуле. — Эта модель позволяет заблаговременно реагировать на предстоящие потенциальные нарушения заданных значений.»
Например, в предвкушении еды организм выделяет дополнительный инсулин, грелин и другие гормоны, согласно обзору 2007 года в журнале Appetite. Эта превентивная мера подготавливает организм 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 давать сбои, если их задействовать слишком долго; поэтому, хотя системы могут быть способны справляться с новыми климатическими условиями в краткосрочной перспективе, они могут быть не в состоянии справляться с большими изменениями в течение более длительных периодов времени.»
Изображение: Getty
«Информационная гипотеза» гомеостаза
Гомеостатические системы, возможно, в первую очередь эволюционировали для того, чтобы помогать организмам поддерживать оптимальное функционирование в различных условиях и ситуациях. Но, согласно статье 2013 года в журнале Trends in Ecology & Evolution, некоторые учёные 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.
Независимо от своей эволюционной цели, гомеостаз определял исследования в области наук о жизни почти столетие. И хотя гомеостатические процессы в основном обсуждаются в контексте физиологии животных, они также проходят и у растений, позволяя им 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.
