Feedback er defineret som de oplysninger, der er opnået om en reaktion på et produkt, hvilket vil tillade ændring af produktet. Feedback loops er derfor den proces, hvorved en ændring af systemet resulterer i en alarm, der vil udløse et bestemt resultat. Dette resultat vil enten øge ændringen til systemet eller reducere det for at bringe systemet tilbage til det normale. Der er stadig et par spørgsmål: Hvordan fungerer disse systemer? Hvad er en positiv feedback? Hvad er negativ feedback? Hvor finder vi disse systemer i naturen?

biologiske systemer opererer på en mekanisme af input og output, hver forårsaget af og forårsager en bestemt begivenhed. En feedback loop er en biologisk forekomst, hvor output af et system forstærker systemet (positiv feedback) eller hæmmer systemet (negativ feedback). Feedback sløjfer er vigtige, fordi de tillader levende organismer at opretholde homeostase. Homeostase er den mekanisme, der gør det muligt for os at holde vores indre miljø relativt konstant – ikke for varmt eller for koldt, ikke for sulten eller træt. Niveauet af energi, som en organisme har brug for for at opretholde homeostase, afhænger af typen af organisme såvel som det miljø, den beboer. For eksempel holder en koldblodet fisk sin temperatur på samme niveau som vandet omkring den og behøver derfor ikke at kontrollere sin indre temperatur. Sammenlign dette med en varmblodet hval i samme miljø: den skal holde sin kropstemperatur højere end vandet omkring den, og så vil den bruge mere energi i temperaturregulering. Dette er en forskel mellem ektotermer og endotermer: en ektoterm bruger miljøtemperaturen til at kontrollere dens indre temperatur (f.eks. krybdyr, padderog fisk), mens en endoterm bruger homeostase til at opretholde sin indre temperatur. Endotermer kan opretholde deres stofskifte med en konstant hastighed, hvilket tillader konstant bevægelse, reaktion og interne processer, mens ektotermer ikke kan opretholde deres stofskifte med en konstant hastighed. Dette betyder, at deres bevægelse, reaktion og interne processer er afhængige af tilstrækkelig ekstern varme, men det betyder også, at de kræver mindre energi i form af mad, da deres kroppe ikke konstant brænder brændstof.

Feedback loops kan også forekomme i større grad: på økosystemniveau opretholdes en form for homeostase. Et godt eksempel på dette er i cyklussen for rovdyr og byttepopulationer: en boom i byttepopulation vil betyde mere mad til rovdyr, hvilket vil øge antallet af rovdyr. Dette vil så føre til over rovdyr, og byttepopulationen vil igen falde. Rovdyrpopulationen vil falde som reaktion, frigive presset på byttepopulationen og lade det hoppe tilbage. Se figur 1. Et andet eksempel er det, der er kendt som “evolutionært våbenkapløb”, hvor et rovdyr og dets bytte hele tiden forsøger at konkurrere hinanden. Et sådant forhold er nektarivorøse fugle og de blomster, de fodrer på. Fuglene udvikler lange næb for at få adgang til nektar i blomsten. Som svar Udvikler blomsten en længere og længere trompetlignende form i et forsøg på at forhindre fuglen i at komme til nektar. Fuglen reagerer ved at udvikle en endnu længere næb. Og sådan fortsætter det.

Billedkilde: Commons

Figur 1: befolkningstendenser for rovdyr og bytte.

Positive Feedback Loops

en positiv feedback loop forekommer i naturen, når produktet af en reaktion fører til en stigning i denne reaktion. Hvis vi ser på et system i homeostase, flytter en positiv feedback loop et system længere væk fra målet om ligevægt. Det gør det ved at forstærke virkningerne af et produkt eller en begivenhed og opstår, når noget skal ske hurtigt.

eksempel 1: frugt modning

der er en overraskende effekt i naturen, hvor et træ eller en busk pludselig vil modne al sin frugt eller grøntsager uden noget synligt signal. Dette er vores første eksempel på en positiv biologisk feedback loop. Hvis vi ser på et æbletræ med mange æbler, tilsyneladende natten over går de alle fra umodne til modne til overmodne. Dette begynder med det første æble, der modnes. Når den er moden, afgiver den en gas kendt som ethylen (C2H4) gennem huden. Når de udsættes for denne gas, modnes æblerne tæt på den også. Når de er modne, producerer de også ethylen, som fortsætter med at modne resten af træet i en effekt, der ligner en bølge. Denne feedback loop bruges ofte i frugtproduktion, hvor æbler udsættes for fremstillet ethylengas for at få dem til at modnes hurtigere.

figur 2: processen med æbler modning er en positiv feedback loop.

eksempel 2: fødsel

når arbejdet begynder, skubbes barnets hoved nedad og resulterer i øget tryk på livmoderhalsen. Dette stimulerer receptorceller til at sende et kemisk signal til hjernen, hvilket gør det muligt at frigive iltocin. Dette iltocin diffunderer til livmoderhalsen via blodet, hvor det stimulerede yderligere sammentrækninger. Disse sammentrækninger stimulerer yderligere frigivelse af iltocin, indtil barnet er født.

figur 3: sammentrækningerne, der opleves ved fødsel, opstår som et resultat af en positiv feedback loop.

eksempel 3: blodkoagulation

når væv er revet eller skadet, frigives et kemikalie. Dette kemikalie får blodplader i blodet til at aktivere. Når disse blodplader er aktiveret, frigiver de et kemikalie, der signalerer, at flere blodplader skal aktiveres, indtil såret er koaguleret.

figur 4: processen med sårkoagulation er en positiv feedback loop.

Negative Feedback Loops

en negativ feedback loop forekommer i biologi, når produktet af en reaktion fører til et fald i denne reaktion. På denne måde bringer en negativ feedback loop et system tættere på et mål for stabilitet eller homeostase. Negative feedbacksløjfer er ansvarlige for stabiliseringen af et system og sikrer opretholdelsen af en stabil, stabil tilstand. Reguleringsmekanismens reaktion er modsat udgangen af arrangementet.

eksempel 1: temperaturregulering

temperaturregulering hos mennesker forekommer konstant. 98,6 liter F. når kropstemperaturen stiger over dette, begynder to mekanismer at sparke i kroppen at svede, og vasodilatation sker for at tillade mere af blodoverfladearealet at blive udsat for det køligere ydre miljø. Når sveden afkøles, forårsager den fordampningskøling, mens blodkarene forårsager konvektiv afkøling. Normal temperatur genvindes. Hvis disse kølemekanismer fortsætter, bliver kroppen kold. De mekanismer, som derefter sparke i er dannelsen af gåsehud, og vasokonstriktion. Gåsehud i andre pattedyr hæver håret eller pelsen, så der kan bevares mere varme. Hos mennesker strammer de den omgivende hud og reducerer (lidt) overfladearealet, hvorfra man taber varme. Vasokonstriktion sikrer, at kun et lille overfladeareal af venerne udsættes for den køligere udetemperatur og holder varmen. Normal temperatur genvindes.

figur 5: processen med temperaturregulering hos mennesker er en negativ feedback loop.

eksempel 2: blodtryksregulering (Barorefleks)

blodtrykket skal forblive højt nok til at pumpe blod til alle dele af kroppen, men ikke så højt, at det forårsager skade, mens du gør det. Mens hjertet pumper, registrerer baroreceptorer trykket i blodet, der går gennem arterierne. Hvis trykket er for højt eller for lavt, sendes et kemisk signal til hjernen via glossopharyngeal nerve. Hjernen sender derefter et kemisk signal til hjertet for at justere pumpehastigheden: hvis blodtrykket er lavt, øges hjerterytmen, mens hvis blodtrykket er højt, falder hjerterytmen.

eksempel 3: osmoregulering

osmoregulering henviser til kontrol af koncentrationen af forskellige væsker i kroppen for at opretholde homeostase. Vi vil igen se på et eksempel på en fisk, lever i havet. Koncentrationen af salt i vandet omkring fisken er meget højere end væsken i fisken. Dette vand kommer ind i fiskediffusionen gennem gællerne, gennem madforbrug og gennem drikke. Fordi koncentrationen af salt er højere udenfor end inde i fisken, er der passiv diffusion af salt i fisken og vand ud af fisken. Saltkoncentrationen er derefter for høj i fisken, og saltioner skal frigives ved udskillelse. Dette sker via huden og i meget koncentreret urin. Derudover fjernes høje saltniveauer i blodet via aktiv transport af kloridsekretoriske celler i gællerne. Den korrekte saltkoncentration opretholdes således.

figur 6: processen med osmoregulering i saltvandsfisk er en konstant negativ feedback loop.

positiv vs. negativ Feedback

nøgleforskellen mellem positiv og negativ feedback er deres reaktion på forandring: positiv feedback forstærker forandring, mens negativ feedback reducerer forandring. Dette betyder, at positiv feedback vil resultere i mere af et produkt: flere æbler, flere sammentrækninger eller flere koagulationsplader. Negativ feedback vil resultere i mindre af et produkt: mindre varme, mindre tryk eller mindre salt. Positiv feedback bevæger sig væk fra et målpunkt, mens negativ feedback bevæger sig mod et mål.

Hvorfor er Feedback vigtigt?

uden feedback kan homeostase ikke forekomme. Dette betyder, at en organisme mister evnen til selvregulering af sin krop. Negative feedbackmekanismer er mere almindelige i homeostase, men positive feedbacksløjfer er også vigtige. Ændringer i feedback loops kan føre til forskellige problemer, herunder diabetes mellitus.

Figur 7: i en normal glukosecyklus vil stigninger i blodsukkerniveauet detekteret af bugspytkirtlen resultere i, at betacellerne i bugspytkirtlen udskiller insulin, indtil normale blodsukkerniveauer er nået. Mens der opdages lave blodsukkerniveauer, frigiver alfacellerne i bugspytkirtlen glukagon for at hæve blodsukkerniveauet for at være normalt.

I type 1 diabetes virker betaceller ikke. Dette betyder, at når blodsukkerniveauet stiger, udløses insulinproduktionen ikke, og derfor fortsætter blodsukkerniveauet med at stige. Dette kan resultere i symptomer som sløret syn, vægttab, hyperventilation, kvalme og opkastning, blandt andre. I type 2-diabetes er der opstået kroniske høje blodsukkerniveauer som følge af dårlig kost og manglende motion. Dette resulterer i, at celler ikke længere genkender insulin, og derfor fortsætter blodsukkerniveauet med at stige.

indpakning af Positive og Negative Feedback Loops

Feedback loops er biologiske mekanismer, hvorved homeostase opretholdes. Dette sker, når produktet eller output fra en begivenhed eller reaktion ændrer organismens reaktion på denne reaktion. Positiv feedback sker for at øge ændringen eller output: resultatet af en reaktion forstærkes for at få det til at ske hurtigere. Negativ feedback opstår for at reducere ændringen eller output: resultatet af en reaktion reduceres for at bringe systemet tilbage til en stabil tilstand. Nogle eksempler på positiv feedback er sammentrækninger i barnets fødsel og modning af frugt; negative feedback eksempler omfatter regulering af blodglukoseniveauer og osmoregulering.

Leder du efter Biologi praksis?

Kickstart din Biologi prep med Albert. Start din AP-eksamen prep i dag.