Homöostase ist die Fähigkeit, einen relativ stabilen inneren Zustand aufrechtzuerhalten, der trotz Veränderungen in der Außenwelt bestehen bleibt. Alle lebenden Organismen, von Pflanzen über Welpen bis hin zu Menschen, müssen ihre innere Umgebung regulieren, um Energie zu verarbeiten und letztendlich zu überleben. Wenn Ihr Blutdruck beispielsweise sprunghaft steigt oder die Körpertemperatur sinkt, haben Ihre Organsysteme möglicherweise Schwierigkeiten, ihre Arbeit zu erledigen, und versagen schließlich.
Warum Homöostase wichtig ist
Der Physiologe Walter Cannon prägte in den 1920er Jahren den Begriff "Homöostase" und erweiterte damit frühere Arbeiten des verstorbenen Physiologen Claude Bernard. In den 1870er Jahren beschrieb Bernard, wie komplexe Organismen das Gleichgewicht in ihrer inneren Umgebung oder "Milieu Intérieur" aufrechterhalten müssen,"um ein" freies und unabhängiges Leben "in der Welt dahinter zu führen. Cannon verfeinerte das Konzept und führte die Homöostase durch sein Buch" Die Weisheit des Körpers "(The British Medical Journal, 1932) in das populäre Publikum ein.
Cannons grundlegende Definition der Homöostase wird bis heute als Grundprinzip der Physiologie gepriesen. Der Begriff leitet sich von griechischen Wurzeln ab und bedeutet "ähnlich" und "stabil". Das Präfix "homeo" betont, dass die Homöostase nicht wie ein Thermostat oder eine Geschwindigkeitsregelung in einem Auto funktioniert, die auf eine bestimmte Temperatur oder Geschwindigkeit festgelegt ist. Stattdessen hält die Homöostase wichtige physiologische Faktoren in einem akzeptablen Wertebereich, so eine Übersicht in der Zeitschrift Appetite.
Der menschliche Körper reguliert beispielsweise seine inneren Konzentrationen von Wasserstoff, Kalzium, Kalium und Natrium, geladenen Teilchen, auf die sich Zellen für eine normale Funktion verlassen. Homöostatische Prozesse halten auch den Wasser-, Sauerstoff-, pH- und Blutzuckerspiegel sowie die Körpertemperatur aufrecht. Dies geht aus einem Bericht von 2015 in Advances in Physiology Education hervor.
In gesunden Organismen entfalten sich laut Scientific American ständig und automatisch homöostatische Prozesse. Mehrere Systeme arbeiten oft zusammen, um einen einzelnen physiologischen Faktor wie die Körpertemperatur konstant zu halten. Wenn diese Maßnahmen ins Stocken geraten oder scheitern, kann ein Organismus einer Krankheit oder sogar dem Tod erliegen.
Wie die Homöostase aufrechterhalten wird
Viele homöostatische Systeme warten auf Notsignale vom Körper, um zu wissen, wann Schlüsselvariablen außerhalb ihres angemessenen Bereichs liegen. Das Nervensystem erkennt diese Abweichungen und meldet sich bei einem Kontrollzentrum, das häufig im Gehirn angesiedelt ist. Das Kontrollzentrum weist dann Muskeln, Organe und Drüsen an, die Störung zu korrigieren. Die kontinuierliche Schleife von Störung und Anpassung wird laut dem Online-Lehrbuch Anatomie und Physiologie als "negative Rückkopplung" bezeichnet.
Zum Beispiel hält der menschliche Körper eine Kerntemperatur von etwa 98,6 Grad Fahrenheit (37 Grad Celsius) aufrecht. Bei Überhitzung lösen Thermosensoren in Haut und Gehirn einen Alarm aus und lösen eine Kettenreaktion aus, die den Körper zum Schwitzen und Spülen veranlasst. Wenn der Körper gekühlt ist, zittert er und verringert die Durchblutung der Haut. In ähnlicher Weise signalisiert der Körper den Nieren bei einem Anstieg des Natriumspiegels, Wasser zu sparen und überschüssiges Salz in konzentriertem Urin auszutreiben, wie aus zwei von NIH finanzierten Studien hervorgeht.
Tiere passen ihr Verhalten auch als Reaktion auf negatives Feedback an. Wenn wir zum Beispiel überhitzt sind, können wir eine Kleidungsschicht ablegen, in den Schatten gehen oder ein kaltes Glas Wasser trinken.
Moderne Modelle der Homöostase
Das Konzept der negativen Rückkopplung geht auf Cannons Beschreibung der Homöostase in den 1920er Jahren zurück und war die erste Erklärung für die Funktionsweise der Homöostase. In den letzten Jahrzehnten argumentieren viele Wissenschaftler jedoch, dass Organismen potenzielle Störungen der Homöostase antizipieren können, anstatt erst nachträglich darauf zu reagieren.
Dieses alternative Modell der Homöostase, bekannt als Allostase, impliziert, dass sich der ideale Sollwert für eine bestimmte Variable als Reaktion auf vorübergehende Umweltveränderungen verschieben kann, wie aus einem Artikel aus dem Jahr 2015 in Psychological Review hervorgeht. Der Punkt kann sich unter dem Einfluss von Tagesrhythmen, Menstruationszyklen oder täglichen Schwankungen der Körpertemperatur verschieben. Die Sollwerte können sich auch als Reaktion auf physiologische Phänomene wie Fieber oder zur Kompensation mehrerer gleichzeitig stattfindender homöostatischer Prozesse ändern. Dies geht aus einer Übersicht von 2015 in Advances in Physiology Education hervor.
"Die Sollwerte selbst sind nicht festgelegt, können aber adaptive Plastizität zeigen", sagte Art Woods, Biologe an der Universität von Montana in Missoula. "Dieses Modell ermöglicht vorausschauende Reaktionen auf bevorstehende potenzielle Störungen, um Sollwerte zu erreichen."
Zum Beispiel sezerniert der Körper im Vorgriff auf eine Mahlzeit zusätzliches Insulin, Ghrelin und andere Hormone, wie aus einem Bericht von Appetite aus dem Jahr 2007 hervorgeht. Diese vorbeugende Maßnahme bereitet den Körper auf die ankommende Kalorienflut vor, anstatt zu ringen, um den Blutzucker und die Energiespeicher in seinem Gefolge zu kontrollieren.
Die Fähigkeit, Sollwerte zu verschieben, ermöglicht es den Tieren, sich an kurzfristige Stressfaktoren anzupassen, aber sie können angesichts langfristiger Herausforderungen wie dem Klimawandel versagen.
"Die Aktivierung homöostatischer Reaktionssysteme kann für kurze Zeit in Ordnung sein", sagte Woods. Aber sie sind nicht dafür ausgelegt, lange zu halten. "Homöostatische Systeme können katastrophal ausfallen, wenn sie zu weit gedrängt werden. Obwohl Systeme in der Lage sind, kurzfristig neuartige Klimazonen zu bewältigen, sind sie möglicherweise nicht in der Lage, größere Änderungen über längere Zeiträume hinweg zu bewältigen."
Den Informationsfluss aufrechterhalten
Homöostatische Systeme haben sich möglicherweise in erster Linie entwickelt, um Organismen dabei zu helfen, in verschiedenen Umgebungen und Situationen eine optimale Funktion aufrechtzuerhalten. Laut einem Aufsatz aus dem Jahr 2013 in der Zeitschrift Trends in Ecology & Evolution theoretisieren einige Wissenschaftler jedoch, dass die Homöostase in erster Linie einen "ruhigen Hintergrund" für die Kommunikation zwischen Zellen, Geweben und Organen bietet. Die Theorie besagt, dass die Homöostase es Organismen erleichtert, wichtige Informationen aus der Umwelt zu extrahieren und Signale zwischen Körperteilen zu transportieren.
Unabhängig von ihrem evolutionären Zweck prägt die Homöostase seit fast einem Jahrhundert die Forschung in den Biowissenschaften. Homöostatische Prozesse werden zwar hauptsächlich im Zusammenhang mit der Tierphysiologie diskutiert, ermöglichen es Pflanzen jedoch auch, Energiespeicher zu verwalten, Zellen zu nähren und auf Umweltprobleme zu reagieren. Über die Biologie hinaus nutzen die Sozialwissenschaften, die Kybernetik, die Informatik und das Ingenieurwesen die Homöostase als Rahmen, um zu verstehen, wie Menschen und Maschinen trotz Störungen ihre Stabilität aufrechterhalten.
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