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Homöostase

Erfahre, wie Organismen eine Homöostase oder eine stabile innere Umgebung aufrechterhalten.

Kernaussagen

  • Homöostase ist die Tendenz, Veränderungen zu widerstehen und einen stabilen, relativ konstanten inneren Zustand aufrechtzuerhalten.
  • Teil der Homöostase sind in der Regel negative Rückkopplungen , die Abweichungen verschiedener Eigenschaften von ihren Zielwerten, auch Sollwerte genannt, entgegenwirken.
  • Im Gegensatz zu negativen Rückkopplungen verstärken positive Rückkopplungen ihre auslösenden Reize, das heißt, sie bewegen das System vom Ausgangszustand weg.

Einführung

Wie hoch ist die Temperatur in dem Raum, in dem du gerade sitzt? Meine Vermutung wäre, dass es nicht genau 37,0C (98,6F) sind. Dennoch liegt deine Körpertemperatur normalerweise sehr nahe an diesem Wert. Tatsächlich könnte es, wenn deine Körperkerntemperatur nicht innerhalb der relativ engen Grenzen von etwa 35C (95F) bis 41,7C (107F) bleibt, sehr gefährlich oder sogar tödlich sein.1
Die Tendenz, einen stabilen, relativ konstanten innere Zustand aufrechtzuerhalten, wird als Homöostase bezeichnet. Der Körper hält die Homöostase für viele weitere Faktoren neben der Körpertemperatur aufrecht. Zum Beispiel muss die Konzentration verschiedener Ionen in deinem Blut sowie der pH-Wert und die Glukosekonzentration konstant gehalten werden. Wenn diese Werte zu hoch oder zu niedrig werden, kannst du am Ende sehr krank werden.
Die Homöostase wird auf vielen Ebenen aufrechterhalten, nicht nur auf der Ebene des gesamten Körpers, wie es bei der Temperatur der Fall ist. Zum Beispiel hält der Magen einen pH-Wert aufrecht, der sich von dem der umliegenden Organe unterscheidet, und jede einzelne Zelle hält Ionenkonzentrationen aufrecht, die sich von denen der umgebenden Flüssigkeit unterscheiden. Die Aufrechterhaltung der Homöostase auf jeder Ebene ist der Schlüssel zur Aufrechterhaltung der Gesamtfunktion des Körpers.
Wie wird die Homöostase aufrechterhalten? Lass uns diese Frage beantworten, indem wir uns einige Beispiele ansehen.

Aufrechterhaltung der Homöostase

Biologische Systeme wie die unseres Körpers werden ständig von ihren Gleichgewichtspunkten weggedrängt. Wenn du zum Beispiel Sport treibst, erhöhen deine Muskeln die Wärmeproduktion, was deine Körpertemperatur in die Höhe treibt. Ähnlich verhält es sich, wenn du ein Glas Fruchtsaft trinkst: Dein Blutzuckerspiegel steigt an. Die Homöostase hängt von der Fähigkeit deines Körpers ab, diese Veränderungen zu erkennen und ihnen entgegenzuwirken.
Zur Aufrechterhaltung der Homöostase sind in der Regel negative Rückkopplungen erforderlich. Diese wirken dem Stimulus oder dem Reiz entgegen, der sie auslöst. Wenn deine Körpertemperatur beispielsweise zu hoch ist, wird eine negative Rückkopplung ausgelöst, um sie auf den Sollwert (Zielwert) von 37.0C (98.6F) zurückzubringen.
Wie funktioniert das? Zunächst wird eine hohe Körpertemperatur durch Sensoren – in erster Linie Nervenzellen mit Enden in deiner Haut und deinem Gehirn – festgestellt und an ein temperaturregulierendes Kontrollzentrum in deinem Gehirn weitergeleitet. Das Kontrollzentrum wird die Information verarbeiten und Effektoren – wie die Schweißdrüsen – aktivieren, deren Aufgabe es ist, dem Reiz entgegenzuwirken, indem sie die Körpertemperatur senken.
(a) Eine negative Rückkopplung besteht aus vier grundlegenden Elementen: einen Stimulus (Reiz), einen Sensor, eine Steuerung und einen Effektor. (b) Die Körpertemperatur wird durch negative Rückkopplung gesteuert. Der Reiz ist, wenn die Körpertemperatur 37 Grad Celsius übersteigt, die Sensoren sind die Nervenzellen mit Endungen in der Haut und im Gehirn, die Kontrolle ist das Temperaturregulierungszentrum im Gehirn und der Effektor sind die Schweißdrüsen im ganzen Körper.
Bildquelle: modifiziert nach Homeostasis: Figure 1, OpenStax College, Anatomy & Physiology, CC BY 4.0
Natürlich schwankt die Körpertemperatur nicht nur über ihren Sollwert, sondern kann auch unter diesen Wert fallen. Im Allgemeinen beinhalten homöostatische Kreisläufe mindestens zwei negative Rückkopplungen:
  • Eine wird aktiviert, wenn ein Parameter – wie die Körpertemperatur – über dem Sollwert liegt, und soll diesen wieder nach unten regulieren.
  • Eine wird aktiviert, wenn der Parameter unter dem Sollwert ist, und soll ihn wieder erhöhen.
Um dies besser zu verstehen, schauen wir uns die entgegengesetzten Rückkopplungen an, die die Körpertemperatur steuern.

Homöostatische Reaktionen bei der Temperaturregulation

Wenn deine Körpertemperatur zu warm oder zu kalt wird, teilen Sensoren in der Peripherie und im Gehirn dem temperaturregulierenden Zentrum deines Gehirns – in einer Region namens Hypothalamus – mit , dass deine Körpertemperatur von ihrem Sollwert abgewichen ist.
Wenn du zum Beispiel hart trainiert hast, kann deine Körpertemperatur höher sein als ihr Sollwert, und du musst Mechanismen aktivieren, die dich abkühlen. Der Blutfluss in deine Haut wird erhöht, um den Wärmeverlust in die Umgebung zu beschleunigen. Du fängst vielleicht auch an zu schwitzen, damit die Verdunstung von Schweiß auf deiner Haut dir dabei helfen kann, dich abzukühlen. Auch eine starke Atmung kann den Wärmeverlust erhöhen.
Die Abbildung zeigt die Temperaturregulierung als Reaktion auf Signale vom Nervensystem. Wenn die Körpertemperatur sinkt, verengen sich die Blutgefäße, die Schweißdrüsen erzeugen keinen Schweiß und das Zittern erzeugt Wärme, um den Körper zu wärmen. Dadurch wird Wärme zurückgehalten und die Körpertemperatur normalisiert.
Wenn die Körpertemperatur zu hoch ist, dehnen sich die Blutgefäße aus, Schweißdrüsen geben Flüssigkeit ab und Wärme wird vom Körper abgegeben. Wenn Wärme an die Umgebung abgegeben wird, kehrt die Körpertemperatur wieder auf den Normalwert zurück.
Bildquelle: Homeostasis: Figure 4, OpenStax College, Biology, CC BY 4.0
Wenn du andererseits in einem kalten Raum sitzt und nicht warm angezogen bist, muss das Temperaturzentrum im Gehirn Reaktionen auslösen, die dabei helfen, dich aufzuwärmen. Der Blutfluss in deine Haut nimmt ab und du fängst vielleicht an zu zittern, damit deine Muskeln mehr Wärme erzeugen. Vielleicht bekommst du auch eine Gänsehaut, damit die Haare auf deinem Körper aufrechtstehen und eine Luftschicht in der Nähe deiner Haut einschließen. Durch die verstärkte Freisetzung von Hormonen kann zusätzlich die Wärmeproduktion erhöht werden.
Erwähnenswert ist, dass der Sollwert nicht immer starr festgelegt ist, sondern ein veränderbares Ziel sein kann. Die Körpertemperatur variiert zum Beispiel über einen Zeitraum von 24 Stunden vom höchsten Wert am späten Nachmittag bis zum niedrigsten Wert am frühen Morgen.2 Auch bei Fieber kommt es zu einer vorübergehenden Erhöhung des Temperatur-Sollwerts, sodass wärmeerzeugende Reaktionen bei höheren Temperaturen als dem normalen Sollwert aktiviert werden.3

Unterbrechungen der Rückkopplung unterbrechen die Homöostase.

Die Homöostase hängt von negativen Rückkopplungen ab. Also kann – und wird! – alles, was die Rückkopplungsmechanismen stört, die Homöostase stören. Im Falle des menschlichen Körpers kann dies zu Krankheiten führen.
Diabetes ist zum Beispiel eine Erkrankung, die durch eine defekte Rückkopplung mit dem Hormon Insulin verursacht wird. Die defekte Rückkopplung macht es für den Körper schwierig oder unmöglich, einen hohen Blutzuckerspiegel auf ein gesundes Niveau zu senken.
Um zu verstehen, wie Diabetes entsteht, werfen wir einen kurzen Blick auf die Grundlagen der Blutzuckerregulation. Bei einer gesunden Person wird der Blutzuckerspiegel durch zwei Hormone gesteuert: Insulin und Glukagon.
Insulin verringert die Glukosekonzentration im Blut. Nachdem du eine Mahlzeit gegessen hast, steigt dein Blutzuckerspiegel an und löst die Sekretion von Insulin aus β-Zellen in der Bauchspeicheldrüse aus. Insulin wirkt als ein Signal, das Zellen des Körpers, wie Fett- und Muskelzellen, dazu bringt, Glukose zur Verwendung als Brennstoff aufzunehmen. Insulin bewirkt auch, dass Glukose in der Leber in Glykogen, ein Speichermolekül, umgewandelt wird. Beide Prozesse ziehen Zucker aus dem Blut, senken den Blutzuckerspiegel, reduzieren die Insulinsekretion und bringen das gesamte System zurück in die Homöostase.
Wenn der Blutzuckerwert über den normalen Bereich ansteigt, wird Insulin freigesetzt, das die Körperzellen dazu anregt, Glukose aus dem Blut zu entfernen. Wenn der Blutzuckerwert unter den normalen Bereich fällt, wird Glukagon freigesetzt, das Körperzellen dazu anregt, Glukose in das Blut freizusetzen.
Bildquelle: modifiziert nach The endocrine pancreas: Figure 2, OpenStax College, Anatomy & Physiology, CC BY 4.0
Glukagon bewirkt das Gegenteil: Es erhöht die Konzentration von Glukose im Blut. Wenn du eine Weile lang nichts gegessen hast, fällt dein Blutzuckerwert, was die Freisetzung von Glukagon aus einer anderen Gruppe von Zellen der Bauchspeicheldrüse, den α-Zellen, auslöst. Glukagon wirkt auf die Leber, wodurch Glykogen in Glukose gespalten und in den Blutkreislauf freigesetzt wird, wodurch der Blutzuckerspiegel wieder steigt. Dies reduziert die Glukagonsekretion und bringt das System zurück zur Homöostase.
Diabetes kann entstehen, wenn die Bauchspeicheldrüse einer Person nicht genug Insulin herstellen kann oder wenn Zellen im Körper nicht mehr auf Insulin ansprechen, oder beides. Unter diesen Bedingungen nehmen Körperzellen Glukose nicht ohne Weiteres auf, sodass der Blutzuckerspiegel über einen langen Zeitraum nach einer Mahlzeit hoch bleibt. Das kann zu folgendem führen:
  • Muskel- und Fettzellen erhalten nicht genug Glukose als Kraftstoff. Dies kann dazu führen, dass Betroffene sich müde fühlen, und sogar Muskel- und Fettgewebe verschwinden lassen.
  • Hoher Blutzucker verursacht Symptome wie vermehrtes Wasserlassen, Durst und sogar Austrocknung. Im Laufe der Zeit kann es zu ernsteren Komplikationen kommen.4,5

Positive Rückkopplungen

Homöostatische Schaltkreise beinhalten normalerweise negative Rückkopplungen. Das Markenzeichen einer negativen Rückkopplung ist, dass sie einer Veränderung entgegenwirkt, indem sie den Wert eines Parameters – wie z. B. Körpertemperatur oder Blutzucker – auf seinen Sollwert zurückbringt.
Einige biologische Systeme verwenden jedoch positive Rückkopplungen. Im Gegensatz zu negativen Rückkopplungen verstärken positive Rückkopplungen das Startsignal. Positive Rückkopplungen werden normalerweise in Prozessen gefunden, die zum Abschluss gebracht werden müssen, und nicht dann, wenn der Status Quo beibehalten werden muss.
Eine positive Rückkopplung kommt während der Geburt eines Kindes ins Spiel. Bei der Geburt drückt der Kopf des Babys auf den Gebärmutterhals, den unteren Teil der Gebärmutter, durch den das Baby hervortreten muss, und aktiviert Neuronen im Gehirn. Diese Neuronen senden ein Signal, das zur Freisetzung des Hormons Oxytocin aus der Hypophyse führt.
Oxytocin erhöht die Kontraktionen des Uterus und somit den Druck auf den Gebärmutterhals. Dies bewirkt die Freisetzung von noch mehr Oxytocin und erzeugt noch stärkere Kontraktionen. Diese positive Rückkopplung dauert an, bis das Baby geboren ist.
Die normale Geburt wird durch eine positive Rückkopplung gesteuert. Eine positive Rückkopplung führt zu einer Änderung des Körperstatus und nicht zu einer Rückkehr zur Homöostase. Die Rückkopplung schließt ein (im Uhrzeigersinn): * Nervenimpulse vom Gebärmutterhals werden zum Gehirn übertragen * Das Gehirn regt die pituitäre Drüse an, Oxytocin zu sezernieren * Oxytocin wird im Blut zum Uterus transportiert * Oxytocin regt Uteruskontraktionen an und schiebt Baby in Richtung Gebärmutterhals * Kopf des Babys drückt gegen Zervix * und so weiter in einer Schleife!
Bildquelle: Homeostasis: Figure 2, OpenStax College, Anatomy & Physiology, CC BY 4.0

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