Negatīvā atgriezeniskā saite homeostāzē

Jebkurš negatīvās atgriezeniskās saites loks ir sadalāms četrās daļās, un tieši šis dalījums ļauj saprast, kur konkrētā slimībā ir defekts. Vispirms ir receptors, kas mēra rādītāju. Tālāk seko ievadošais ceļš, pa kuru informācija nonāk vadības centrā. Centrs salīdzina izmērīto vērtību ar iestatīto un ģenerē komandu. Visbeidzot izvadošais ceļš nes komandu izpildorgānam, kas maina rādītāju.

Svarīgi, ka izpildorgāna darbība atkal ietekmē to pašu rādītāju, kuru mēra receptors. Loks noslēdzas, un tieši tāpēc to sauc par atgriezenisko saiti. Ja šī pēdējā saite pārtrūkst, sistēma pārvēršas par atklātu vadību, kas uz traucējumiem vairs nereaģē.

• Receptors: piemēram, temperatūras jutīgie neironi hipotalāmā vai ādā.
• Ievadošais ceļš: nervu šķiedras vai asinīs plūstošs hormons.
• Vadības centrs: smadzeņu kodols, dziedzera šūna vai pat pati šūnas membrāna.
• Izvadošais ceļš: veģetatīvie nervi vai cits hormons.
• Izpildorgāns: sviedru dziedzeri, asinsvadu gludā muskulatūra, nieres, kauli, aknas.

Vieglāk saprotamais piemērs ir ķermeņa temperatūra. Hipotalāms saņem informāciju gan no ādas, gan no paša asins siltuma. Ja temperatūra ceļas, ādas asinsvadi paplašinās un sākas svīšana, kas aizvada siltumu prom. Ja temperatūra krīt, asinsvadi sašaurinās, sāk trīcēt muskuļi un palielinās siltuma ražošana.

Otrs piemērs ir glikozes līmenis asinīs. Aizkuņģa dziedzera bēta šūnas pašas mēra glikozes koncentrāciju un izdala insulīnu, kas veicina glikozes uzņemšanu audos un tās uzkrāšanu aknās. Krītot glikozei, alfa šūnas izdala glikagonu, kas mobilizē glikozi no aknām. Šeit redzams tipisks bioloģisks risinājums: divi pretēji vērsti loki, nevis viens ar ieslēgšanu un izslēgšanu.

Trešais piemērs ir asinsspiediens. Baroreceptori miega artērijas paplašinājumā un aortas lokā nepārtraukti mēra sienas izstiepumu. Ja spiediens krīt, samazinās to impulsācija, un smadzeņu stumbra centri paātrina sirdsdarbību un sašaurina asinsvadus. Šis loks darbojas sekundēs un tieši tāpēc pasargā no ģīboņa, piecelšoties kājās.

Endokrinoloģijā negatīvā atgriezeniskā saite iegūst īpaši uzskatāmu formu, proti, trīspakāpju asi. Hipotalāms izdala atbrīvotājhormonu, hipofīze atbild ar tropo hormonu, mērķa dziedzeris ražo galaproduktu, un šis galaprodukts nomāc abus augstākos līmeņus.

Tieši šis princips ir pamatā vairogdziedzera analīžu interpretācijai. Ja vairogdziedzeris strādā par vāju, brīvā tiroksīna līmenis krīt, nomākums izzūd un hipofīze ceļ tireotropā hormona izdali. Tāpēc paaugstināts tireotropais hormons parasti nozīmē vājas vairogdziedzera funkcijas, nevis otrādi, un tieši šī loģika bieži mulsina pacientus, lasot savu analīžu lapu.

Tas pats mehānisms izskaidro, kāpēc ilgstoša glikokortikoīdu lietošana nomāc virsnieru darbību. Ārēji ievadītais hormons darbojas kā galaprodukts un izslēdz hipofīzes signālu, tāpēc pēkšņa preparāta pārtraukšana var atstāt organismu bez sava kortizola. Šī iemesla dēļ šādu ārstēšanu nekad nepārtrauc pašrocīgi, bet devu samazina pakāpeniski pēc ārsta norādījuma.

Pozitīvā atgriezeniskā saite nav nedz kļūda, nedz pretstats veselībai; tā vienkārši risina citu uzdevumu. Tur, kur vajadzīgs stabilitāte, darbojas negatīvā saite. Tur, kur vajadzīgs ātri pabeigt sākto procesu, darbojas pozitīvā.

Dzemdībās bērna galviņas spiediens uz dzemdes kaklu izraisa oksitocīna izdali, kas pastiprina kontrakcijas, kas savukārt vēl vairāk spiež uz dzemdes kaklu. Process pieaug, līdz beidzas ar dzemdībām. Līdzīgi darbojas asins recēšanas kaskāde un nervu šūnas darbības potenciāla augšupejošā fāze. Kopīgais visiem šiem piemēriem ir tas, ka procesam ir skaidrs beigu punkts; bez tā pozitīvā saite kļūtu bīstama.

Bieža nepareiza priekšstata būtība ir doma, ka iestatītā vērtība ir fiksēts skaitlis. Patiesībā organisms to regulāri pārbīda. Diennakts ritms maina gan ķermeņa temperatūru, gan kortizola līmeni, gan asinsspiedienu, un šīs izmaiņas nav regulācijas kļūme, bet pati regulācija.

Visspilgtākais piemērs ir drudzis. Infekcijas laikā iekaisuma starpnieki pārbīda hipotalāma iestatīto vērtību uz augšu. Organisms tūlīt uztver savu esošo temperatūru kā pārāk zemu un sāk to celt: cilvēks jūt drebuļus, sarauc asinsvadus un mēģina sasildīties. Kad iestatītā vērtība atgriežas, tā pati sistēma temperatūru laiž lejup, un parādās svīšana. Tātad drudzis nav homeostāzes sabrukums, bet homeostāze ar jaunu mērķi.

Ilgtermiņā iestatītā vērtība var pielāgoties arī patoloģiski. Ilgstoši augsta asinsspiediena gadījumā baroreceptori pierod pie jaunā līmeņa un sāk to aizstāvēt kā normu. Šo parādību sauc par pārstatīšanu, un tā daļēji izskaidro, kāpēc hipertensijas ārstēšana prasa laiku un pastāvību.

Daudzas hroniskas slimības ir ērti saprotamas kā bojājums konkrētā loka posmā. Cukura diabēts var rasties gan tāpēc, ka bojāts izpildmehānisma signāls, proti, trūkst insulīna, gan tāpēc, ka audi uz signālu vairs nereaģē. Hipotireoze ir mērķa dziedzera nespēja izpildīt komandu. Ortostatiskā hipotensija ir pārāk lēns baroreceptoru loks. Bezcukura diabēts ir traucēta ūdens regulācija hormona trūkuma vai nieru nejutības dēļ.

Tāpēc ārsts, saņemot analīzi ar novirzi, gandrīz vienmēr uzdod otru jautājumu: kas notiek ar regulējošo hormonu. Kalcija līmenis kopā ar parathormona līmeni, vairogdziedzera hormons kopā ar tireotropo hormonu, glikoze kopā ar C peptīdu. Viens skaitlis bez loka konteksta nepasaka, kurā vietā sistēma ir bojāta.

• Receptora defekts: nieres nejutīgums pret antidiurētisko hormonu.
• Ievadceļa bojājums: veģetatīvā neiropātija diabēta gadījumā.
• Centra bojājums: hipotalāma vai hipofīzes audzējs.
• Izpildorgāna mazspēja: vairogdziedzera vai virsnieru garozas nepietiekamība.
• Ārēji uzspiests signāls: ilgstoša glikokortikoīdu terapija, kas izslēdz paša asi.

Fizioloģijā regulācijas lokus vērtē ar provokācijas jeb slodzes testiem. Sistēmu mērķtiecīgi izsit no līdzsvara un vēro, cik ātri un cik pilnīgi tā atgriežas. Klīnikā to pašu principu izmanto ikdienā, bieži par to nedomājot.

Glikozes tolerances tests ir tipisks piemērs: pacients izdzer noteiktu glikozes devu, un pēc divām stundām mēra, cik lielā mērā sistēma to ir nokārtojusi. Ortostatiskais tests mēra asinsspiedienu un pulsu guļus un stāvus, vērtējot baroreceptoru loka ātrumu. Dexametazona tests pārbauda, vai virsnieru asi joprojām var nomākt no augšas. Katrā gadījumā mēra nevis rādītāju pašu par sevi, bet gan sistēmas atbildes spēju.

1. Nosaka bāzes vērtību miera stāvoklī.
2. Pieliek kontrolētu slodzi vai kavējošu vielu.
3. Vairākos laika punktos mēra rādītāja gaitu.
4. Novērtē atbildes lielumu, ātrumu un atgriešanās pilnību.
5. Salīdzina ar regulējošā hormona vai nervu atbildi, lai atrastu bojāto posmu.

Inženierijā labi zināms, ka atgriezeniskā saite ar aizturi var kļūt par savu pretstatu. Ja atbilde pienāk par vēlu, tā uzkrīt jau pagriezušamies rādītājam un pastiprina svārstību, nevis to nomierina. Organismā tas notiek reāli. Elpošanas regulācijā pie asinsrites palēninājuma informācija par oglekļa dioksīdu nonāk smadzenēs ar nokavēšanos, un rodas raksturīga viļņveida elpošana ar pastiprināšanos un pauzēm, ko sauc par Čeina un Stoksa elpošanu.

Tas pats princips izskaidro, kāpēc daļa hormonu organismā tiek izdalīti nevis vienmērīgi, bet impulsos. Pulsējoša izdale ar starpbrīžiem ļauj receptoriem atjaunot jutību un neļauj lokam ieiet pastāvīgā nomākumā. Praksē to izmanto zāļu ievadē: daži hormonu preparāti darbojas tikai tad, ja tos ievada pulsējoši, bet nepārtraukta ievade tieši to pašu asi nomāc. Šī detaļa labi parāda, ka homeostāzē svarīgs ir ne tikai signāla lielums, bet arī tā laika struktūra.