Homeostaza – co to takiego? Dlaczego równowaga jest tak ważna dla organizmu?

Homeostaza – co to jest?

Homeostazę zazwyczaj nazywa się równowagą wewnętrzną organizmu. Jej celem jest zapewnienie optymalnych, stałych warunków, pozwalających na sprawne funkcjonowanie jak najniższym kosztem.

Głównym celem ewolucyjnym homeostazy jest redukcja procesów potrzebnych do utrzymania organizmu przy życiu przy jednoczesnej maksymalizacji zysku. Przykładowo, ciało ludzkie cechuje się stałym zakresem temperatury, wahającym się u zdrowego człowieka o jakiś jeden stopień – w zależności od różnych czynników. Jednakże u zwierząt zmiennocieplnych nie istnieje wewnętrzny mechanizm odpowiedzialny za utrzymanie temperatury ciała. Zwierzęta te są zmuszone polegać na poborze ciepła z otoczenia, co sprawia, że tempo ich metabolizmu zależy od warunków zewnętrznych. Takie rozwiązanie wymusza posiadanie bardzo złożonych mechanizmów enzymatycznych, ponieważ tempo przeprowadzania reakcji chemicznych jest bezpośrednio zależne od temperatury. Utrzymanie stałej temperatury (homeostazy) pozwala uprościć procesy zachodzące w ciele, kosztem dodatkowego wydatku energii.

Homeostaza nie dotyczy jednak tylko temperatury ciała. Na tej zasadzie działa także: ciśnienie krwi, pH różnych narządów, stężenie jonów w komórce, glukozy we krwi i wiele innych parametrów. Homeostaza musi być ciągle regulowana przez organizm, a rozregulowanie mechanizmów odpowiadających za homeostazę może prowadzić do poważnych konsekwencji zdrowotnych.

To też może Cię zainteresować: Refleksologia – jak i na co działa?

Rodzaje homeostazy

Istnieje wiele różnych rodzajów homeostazy, trudno więc wymienić wszystkie. Fizjolodzy często uważają homeostazę za jedną z podstawowych cech organizmu, w mniejszym lub większym stopniu istniejących u wszystkich istot żywych.

Utrzymywanie odpowiedniego pH

Ten rodzaj homeostazy często nazywa się kwasowo-zasadowym. Wiele procesów fizjologicznych wymaga utrzymania odpowiedniego pH środowiska. Przykładowo, pH krwi wynosi pomiędzy 7,35 a 7,45. W przypadku zaburzenia tej równowagi organizm zaczyna mieć problem z usuwaniem dwutlenku węgla i produktów przemiany materii w odpowiednim tempie.

Aby utrzymać odpowiedni poziom kwasowości, stosowane są bufory chemiczne, zapobiegające zmianom pH roztworów. W niektórych przypadkach cząstki kwasowe lub zasadowe są rozkładane do jonów i potem wydalane, np. w osoczu krwi, gdzie nadmiar kwasu węglowego jest rozkładany na jony wodorowe i wodorowęglanowe. Jeśli pH krwi jest zbyt kwasowe, jony wodorowe są uwalniane do moczu, powodując wzrost pH, natomiast jeśli pH krwi jest zbyt zasadowe, jony wodorowęglanowe są uwalniane do moczu, powodując spadek pH.

Zobacz też: PH krwi a równowaga kwasowo-zasadowa

Stężenie glukozy we krwi

Glukoza to cukier prosty, będący podstawowym i preferowanym źródłem energii dla komórek organizmów aerobowych (oddychających tlenem). Utrzymanie odpowiedniego poziomu glukozy we krwi jest niezbędne do prawidłowego funkcjonowania organizmu.

Homeostaza glukozy jest utrzymywana poprzez przeciwstawne i zrównoważone działanie hormonów: insuliny i glukagonu. Gdy poziom glukozy we krwi jest niski, glukagon stymuluje organizm do przekształcania nagromadzonego glikogenu w glukozę w procesie glikogenolizy. Jednakże, gdy poziom glukozy we krwi jest zbyt wysoki, insulina przekształca glukozę w glikogen, aby przywrócić równowagę.

Zaburzenia homeostazy cukru we krwi można obserwować w przebiegu cukrzycy, gdy zachodzi problem z wydzielaniem lub wrażliwością na insulinę. W przebiegu cukrzycy typu I komórki bez odpowiedniej stymulacji przez insulinę nie pobierają glukozy z krwi, natomiast przy cukrzycy typu II dochodzi do nabytej niewrażliwości na insulinę (insulinooporności).

Przeczytaj też: Czym jest dopamina i jak działa na organizm?

Homeostaza wapniowa

Wapń jest niezbędnym składnikiem budulcowym kości, nie oznacza to jednak, że wytworzony już szkielet nie potrzebuje tego pierwiastka do funkcjonowania.

Gdy poziom wapnia we krwi jest niski, hormon przytarczyc (PTH) powoduje aktywność osteoklastyczną, skutkującą demineralizację kości w celu uwolnienia jonów wapnia do krwi. Gdy poziom wapnia we krwi jest wysoki, PTH uwalnia kalcytoninę, która hamuje aktywność osteoklastów i stymuluje aktywność absorpcyjną kości.

Homeostaza wodno-elektrolitowa

Płyny ustrojowe są elektrycznie obojętne, ponieważ utrzymują stałą równowagę pomiędzy jonami dodatnimi (kationami) oraz ujemnymi (anionami). Do prawidłowego funkcjonowania organizm potrzebuje odpowiedniego stężenia elektrolitów w roztworze wodnym, a więc płynach ciała.

Do zachowania homeostazy wymagane jest, aby ilość wody traconej przez organizm była równa ilości wody pobranej w celu zrównoważenia stężenia. Gdy objętość płynu w organizmie zmniejsza się, wzrasta stężenie elektrolitów, co powoduje aktywację przysadki mózgowej, która uwalnia hormon antydiuretyczny, który następnie stymuluje nerki do zatrzymywania wody.

Jednak wraz ze wzrostem objętości płynu stężenie elektrolitów w płynie maleje. W tym przypadku kora nadnerczy nerki jest stymulowana do uwalniania aldosteronu, który stymuluje nerki do zatrzymywania wody.

Istnieje też wiele innych rodzajów homeostazy, ponieważ zapewnienie równowagi chemicznej, hormonalnej czy osmotycznej jest konieczne do funkcjonowania niemal wszystkich procesów fizjologicznych organizmu.

To też może Cię zainteresować: Na czym polega równowaga kwasowo-zasadowa w organizmie?

Jakie znaczenie ma dla organizmu prawidłowa homeostaza?

Zadaniem homeostazy jest zapewnienie stałych warunków, pozwalających na optymalne realizowanie funkcji fizjologicznych. Bez niektórych rodzajów homeostazy niemożliwe byłoby rozwinięcie życia, z kolei brak innych (np. wspomnianego mechanizmu podtrzymywania stałej temperatury ciała) wymusza konieczność kompensowania przy pomocy czynników zewnętrznych (np. jaszczurka wygrzewa się w słońcu, bo pobieranie ciepła z otoczenia jest u niej jedynym sposobem na przyśpieszenie metabolizmu).

Zasadniczo, jeśli organizm polega na utrzymywaniu homeostazy, nie jest przystosowany do sprawnego funkcjonowania poza regulowanym, wąskim przedziałem parametrów. Przykładowo, zakres temperatury ciała człowieka, który jest uważany za normalny, wynosi około dwóch stopni Celsjusza. Co prawda, organizm jest w stanie podwyższyć temperaturę na jakiś czas w ramach mechanizmów obronnych (gorączka), jednak powoduje to obciążenie wielu narządów.

Sprawdź, czym jest termogeneza

Mechanizmy działania homeostazy

Homeostaza działa na zasadzie pozytywnego lub negatywnego sprzężenia zwrotnego. Oznacza to, że zmiany zachodzą w reakcji na bodziec lub przeciwnie, brak lub osłabienie bodźca. Mechanizm negatywnego sprzężenia zwrotnego można wyobrazić sobie ten mechanizm jako huśtawkę, która musi być ustawiona idealnie równolegle do podłoża. Jeśli na jeden koniec huśtawki zadziała jakaś siła (pojawi się bodziec), zadaniem mechanizmów regulujących jest równoważenie huśtawki poprzez nacisk na drugi koniec.

Przy negatywnym sprzężeniu zwrotnym musi pojawić się bodziec, który sprawi, że środowisko wewnętrzne organizmu wychyli się poza normalny zakres. Następnie, tego typu wydarzenia jest wykrywana przez odpowiedni receptor. Przykładowo, gdy panują upały, informacja o wzrastającej temperaturze ciała zostaje wychwycona przez receptory i przekazana do ośrodka regulacji temperatury w mózgu. Ten w odpowiedzi uruchamia mechanizmy, których celem jest obniżenie temperatury wewnętrznej – organizm zaczyna oddawać więcej ciepła do otoczenia, wydzielać pot itd.

Dodatnie sprzężenie zwrotne występuje rzadziej, w sytuacjach, gdy oddalenie od stanu „normalnego” jest fizjologicznie pożądane. Dodatnie sprzężenie zwrotne w ciele jest normalne tylko wtedy, gdy istnieje określony punkt końcowy, który powoduje zahamowanie bodźca.

Przykładowo, takim stanem jest poród, gdy organizm w ramach homeostazy dąży nie do utrzymania stanu normalnego, a przyśpieszenia zmian, po których będzie mógł do takiego stanu wrócić. W takim wypadku opór wobec zmian w organizmie jest niepożądany – poród musi się odbyć, ponieważ w przeciwnym wypadku dojdzie w końcu do śmierci zarówno matki, jak i dziecka.

Co powoduje zaburzenia homeostazy?

Zaburzenia homeostazy zwykle spowodowane są niedoborami, niekorzystnym wpływem środowiska zewnętrznego lub chorobami. Niedobór występuje, gdy niemożliwe jest utrzymanie mechanizmów homeostatycznych z powodu braku odpowiednich substratów. Na przykład, gospodarka wodno-elektrolitowa nie może być odpowiednio regulowana, jeśli w organizmie nie minimalnej ilości elektrolitów lub wody potrzebnych do działania.

Przyczyną zaburzeń homeostazy są też choroby. U diabetyków układ hormonalny ma trudności z utrzymaniem prawidłowego poziomu glukozy we krwi z powodu zaburzenia mechanizmów odpowiadających za homeostazę. Oznacza to, że pomimo iż pojawia się bodziec (wysoki poziom glukozy), organizm nie jest zdolny do odpowiedniej reakcji (wytworzenia insuliny, która stymuluje transport glukozy do komórek), przez co dochodzi do uruchomienia funkcji fizjologicznych odwrotnych niż pożądane (komórki wysyłają sygnał o braku glukozy, więc wątroba uwalnia zmagazynowany cukier, prowadząc do jeszcze większej hiperglikemii).

Niektóre zaburzenia homeostazy mogą wynikać z rozregulowania mechanizmów fizjologicznych spowodowanych nieprawidłowym stylem życia. Przykładowo, dieta wysokowęglowodanowa połączona z otyłością może w końcu spowodować insulinooporność, czyli brak odpowiedniej reakcji organizmu na insulinę.

Jak dbać o równowagę w organizmie?

Organizm sam dobrze radzi sobie z zachowaniem homeostazy, o ile nie jest rozregulowany za pomocą niedoboru lub nadmiaru substancji potrzebnych do jej utrzymania.

Dla prawidłowego funkcjonowania homeostazy konieczne jest, aby dostarczać minimum substratów koniecznych do jej zachowania. Tymi substratami są: woda, witaminy, minerały, składniki odżywcze w odpowiednich proporcjach czy elektrolity. Na homeostazę wpływa także aktywność fizyczna i sen. Dobrze jest też zdawać sobie sprawę, jak często i w jakich sytuacjach należy zrównoważyć straty spowodowane przez mechanizmy utrzymujące homeostazę. Przykładowo – intensywna aktywność fizyczna powoduje wzrost wewnętrznej temperatury ciała, a więc konieczność ochłodzenia, a z potem wydalana jest woda z elektrolitami, które trzeba następnie uzupełnić.

Regularny tryb życia przyczynia się do zachowania homeostazy. Dlatego, o ile to możliwe, powinno się jadać posiłki w ustalonych porach dnia, unikając jednocześnie spożywania zbyt dużej ilości produktów o wysokim indeksie glikemicznym naraz. Homeostazę odpowiedzialną za rytm snu i czuwania oraz odżywianie najłatwiej rozregulować – głównie z powodu dostępu do sztucznego oświetlenia i produktów zawierających olbrzymie dawki węglowodanów prostych. Także brak aktywności fizycznej osłabia mechanizmy fizjologiczne, jako że organizm ludzki nie jest przystosowany do długotrwałego bezruchu.