Feedback ist definiert als die Information, die über eine Reaktion auf ein Produkt gewonnen wird, die die Modifikation des Produkts ermöglicht. Rückkopplungsschleifen sind daher der Prozess, bei dem eine Änderung des Systems zu einem Alarm führt, der ein bestimmtes Ergebnis auslöst. Dieses Ergebnis erhöht entweder die Änderung am System oder verringert sie, um das System wieder normal zu machen. Es bleiben einige Fragen offen: Wie funktionieren diese Systeme? Was ist ein positives Feedback? Was ist negatives Feedback? Wo finden wir diese Systeme in der Natur?Biologische Systeme arbeiten mit einem Mechanismus von Ein- und Ausgängen, die jeweils durch ein bestimmtes Ereignis verursacht werden. Eine Rückkopplungsschleife ist ein biologisches Ereignis, bei dem die Ausgabe eines Systems das System verstärkt (positive Rückkopplung) oder das System hemmt (negative Rückkopplung). Rückkopplungsschleifen sind wichtig, da sie es lebenden Organismen ermöglichen, die Homöostase aufrechtzuerhalten. Homöostase ist der Mechanismus, der es uns ermöglicht, unsere innere Umgebung relativ konstant zu halten – nicht zu heiß oder zu kalt, nicht zu hungrig oder müde. Das Energieniveau, das ein Organismus zur Aufrechterhaltung der Homöostase benötigt, hängt von der Art des Organismus sowie von der Umgebung ab, in der er lebt. Zum Beispiel hält ein kaltblütiger Fisch seine Temperatur auf dem gleichen Niveau wie das Wasser um ihn herum und muss daher seine Innentemperatur nicht kontrollieren. Vergleichen Sie dies mit einem warmblütigen Wal in derselben Umgebung: Er muss seine Körpertemperatur höher halten als die des Wassers um ihn herum, und verbraucht daher mehr Energie für die Temperaturregulierung. Dies ist ein Unterschied zwischen Ektothermen und Endothermen: eine Ektotherme verwendet die Umgebungstemperatur, um ihre Innentemperatur zu kontrollieren (z. B. Reptilien, Amphibien und Fische), während eine Endotherme die Homöostase verwendet, um ihre Innentemperatur aufrechtzuerhalten. Endotherme können ihren Stoffwechsel mit einer konstanten Geschwindigkeit aufrechterhalten, was eine konstante Bewegung, Reaktion und interne Prozesse ermöglicht, während Ektothermen ihren Stoffwechsel nicht mit einer konstanten Geschwindigkeit aufrechterhalten können. Dies bedeutet, dass ihre Bewegung, Reaktion und internen Prozesse von ausreichender externer Wärme abhängig sind, aber es bedeutet auch, dass sie weniger Energie in Form von Nahrung benötigen, da ihr Körper nicht ständig Brennstoff verbrennt.

Rückkopplungsschleifen können auch in größerem Maße auftreten: Auf Ökosystemebene wird eine Form der Homöostase aufrechterhalten. Ein gutes Beispiel dafür ist der Zyklus der Raubtier- und Beutepopulationen: Ein Boom der Beutepopulation bedeutet mehr Nahrung für Raubtiere, was die Zahl der Raubtiere erhöhen wird. Dies wird dann zu einer Überprädation führen, und die Beutepopulation wird wieder abnehmen. Die Raubtierpopulation wird als Reaktion darauf abnehmen, den Druck auf die Beutepopulation abbauen und sie zurückprallen lassen. Siehe Abbildung 1. Ein weiteres Beispiel ist das sogenannte „evolutionäre Wettrüsten“, bei dem ein Raubtier und seine Beute ständig versuchen, sich gegenseitig zu übertreffen. Eine solche Beziehung besteht zwischen nektarivoren Vögeln und den Blumen, von denen sie sich ernähren. Die Vögel entwickeln lange Schnäbel, um Zugang zum Nektar in der Blüte zu erhalten. Als Reaktion darauf entwickelt die Blume eine immer längere trompetenartige Form, um zu verhindern, dass der Vogel zum Nektar gelangt. Der Vogel reagiert, indem er einen noch längeren Schnabel entwickelt. Und so geht es weiter.

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Abbildung 1: Die Populationstrends von Raubtieren und Beutetieren.

Positive Rückkopplungsschleifen

Eine positive Rückkopplungsschleife tritt in der Natur auf, wenn das Produkt einer Reaktion zu einer Zunahme dieser Reaktion führt. Wenn wir ein System in der Homöostase betrachten, bewegt eine positive Rückkopplungsschleife ein System weiter vom Ziel des Gleichgewichts weg. Es tut dies, indem es die Auswirkungen eines Produkts oder Ereignisses verstärkt und auftritt, wenn etwas schnell passieren muss.

Beispiel 1: Fruchtreife

Es gibt einen überraschenden Effekt in der Natur, bei dem ein Baum oder Busch plötzlich sein gesamtes Obst oder Gemüse ohne sichtbares Signal reifen lässt. Dies ist unser erstes Beispiel für eine positive biologische Rückkopplungsschleife. Wenn wir uns einen Apfelbaum ansehen, mit vielen Äpfeln, scheinbar über Nacht gehen sie alle von unreif über reif bis überreif. Dies beginnt mit dem ersten Apfel, der reift. Sobald es reif ist, gibt es ein Gas ab, das als Ethylen (C2H4) durch seine Haut bekannt ist. Wenn sie diesem Gas ausgesetzt werden, reifen auch die Äpfel in der Nähe. Sobald sie reif sind, produzieren sie auch Ethylen, das den Rest des Baumes in einem Effekt wie eine Welle reift. Diese Rückkopplungsschleife wird häufig in der Obstproduktion verwendet, wobei Äpfel hergestelltem Ethylengas ausgesetzt werden, um sie schneller reifen zu lassen.

Abbildung 2: Der Reifeprozess von Äpfeln ist eine positive Rückkopplungsschleife.

Beispiel 2: Geburt

Wenn die Wehen beginnen, wird der Kopf des Babys nach unten gedrückt und führt zu erhöhtem Druck auf den Gebärmutterhals. Dies regt die Rezeptorzellen an, ein chemisches Signal an das Gehirn zu senden, das die Freisetzung von Oxytocin ermöglicht. Dieses Oxytocin diffundiert über das Blut zum Gebärmutterhals, wo es weitere Kontraktionen stimuliert. Diese Kontraktionen stimulieren die weitere Oxytocinfreisetzung, bis das Baby geboren ist.

Abbildung 3: Die bei der Geburt erlebten Kontraktionen entstehen durch eine positive Rückkopplungsschleife.

Beispiel 3: Blutgerinnung

Wenn Gewebe gerissen oder verletzt wird, wird eine Chemikalie freigesetzt. Diese Chemikalie bewirkt, dass Blutplättchen im Blut aktiviert werden. Sobald diese Blutplättchen aktiviert sind, setzen sie eine Chemikalie frei, die signalisiert, dass mehr Blutplättchen aktiviert werden, bis die Wunde geronnen ist.

Abbildung 4: Der Prozess der Wundgerinnung ist eine positive Rückkopplungsschleife.

Negative Rückkopplungsschleifen

Eine negative Rückkopplungsschleife tritt in der Biologie auf, wenn das Produkt einer Reaktion zu einer Abnahme dieser Reaktion führt. Auf diese Weise bringt eine negative Rückkopplungsschleife ein System näher an ein Ziel der Stabilität oder Homöostase. Negative Rückkopplungsschleifen sind für die Stabilisierung eines Systems verantwortlich und gewährleisten die Aufrechterhaltung eines stabilen Zustands. Das Ansprechen des Regelmechanismus ist dem Ausgang des Ereignisses entgegengesetzt.

Beispiel 1: Temperaturregelung

Die Temperaturregelung beim Menschen erfolgt ständig. Die normale menschliche Körpertemperatur beträgt ungefähr 98,6 ° F. Wenn die Körpertemperatur darüber steigt, beginnen zwei Mechanismen im Körper zu schwitzen, und es kommt zu einer Vasodilatation, damit mehr von der Blutoberfläche der kühleren äußeren Umgebung ausgesetzt werden kann. Wenn der Schweiß abkühlt, verursacht er eine Verdunstungskühlung, während die Blutgefäße eine konvektive Kühlung verursachen. Die normale Temperatur wird wieder erreicht. Sollten diese Kühlmechanismen anhalten, wird der Körper kalt. Die Mechanismen, die dann eintreten, sind die Bildung von Gänsehaut und Vasokonstriktion. Gänsehaut bei anderen Säugetieren hebt das Haar oder Fell an, wodurch mehr Wärme zurückgehalten werden kann. Beim Menschen straffen sie die umgebende Haut und reduzieren (leicht) die Oberfläche, von der aus Wärme verloren geht. Die Vasokonstriktion sorgt dafür, dass nur eine kleine Oberfläche der Venen der kühleren Außentemperatur ausgesetzt ist und Wärme speichert. Die normale Temperatur wird wieder erreicht.

Abbildung 5: Der Prozess der Temperaturregelung beim Menschen ist eine negative Rückkopplungsschleife.

Beispiel 2: Blutdruckregulierung (Baroreflex)

Der Blutdruck muss hoch genug bleiben, um Blut in alle Körperteile zu pumpen, aber nicht so hoch, dass er dabei Schaden anrichtet. Während das Herz pumpt, erfassen Barorezeptoren den Druck des Blutes, das durch die Arterien fließt. Ist der Druck zu hoch oder zu niedrig, wird über den N. glossopharyngeus ein chemisches Signal an das Gehirn gesendet. Das Gehirn sendet dann ein chemisches Signal an das Herz, um die Pumprate anzupassen: Wenn der Blutdruck niedrig ist, steigt die Herzfrequenz, während bei hohem Blutdruck die Herzfrequenz abnimmt.

Beispiel 3: Osmoregulation

Osmoregulation bezieht sich auf die Kontrolle der Konzentration verschiedener Flüssigkeiten im Körper, um die Homöostase aufrechtzuerhalten. Wir werden uns wieder ein Beispiel eines Fisches ansehen, im Ozean leben. Die Salzkonzentration im Wasser, das den Fisch umgibt, ist viel höher als die der Flüssigkeit im Fisch. Dieses Wasser gelangt durch die Kiemen, durch Nahrungsaufnahme und durch Trinken in den Fisch. Auch, weil die konzentration von salz ist höher außerhalb als innerhalb der fisch, es ist passive diffusion von salz in die fisch und wasser aus der fisch. Die Salzkonzentration ist dann im Fisch zu hoch, und Salzionen müssen durch Ausscheidung freigesetzt werden. Dies geschieht über die Haut und in sehr konzentriertem Urin. Darüber hinaus werden hohe Salzgehalte im Blut durch aktiven Transport durch die Chloridsekretionszellen in den Kiemen entfernt. Die richtige Salzkonzentration bleibt somit erhalten.

Abbildung 6: Der Prozess der Osmoregulation bei Salzwasserfischen ist eine konstante negative Rückkopplungsschleife.

Positives vs. negatives Feedback

Der Hauptunterschied zwischen positivem und negativem Feedback ist ihre Reaktion auf Veränderungen: Positives Feedback verstärkt Veränderungen, während negatives Feedback Veränderungen reduziert. Dies bedeutet, dass positives Feedback zu mehr Produkt führt: mehr Äpfel, mehr Kontraktionen oder mehr Gerinnungsplättchen. Negatives Feedback führt zu weniger Produkt: weniger Hitze, weniger Druck oder weniger Salz. Positives Feedback bewegt sich von einem Zielpunkt weg, während negatives Feedback sich in Richtung eines Ziels bewegt.

Warum ist Feedback wichtig?

Ohne Rückkopplung kann keine Homöostase auftreten. Dies bedeutet, dass ein Organismus die Fähigkeit verliert, seinen Körper selbst zu regulieren. Negative Rückkopplungsmechanismen sind häufiger in der Homöostase, aber auch positive Rückkopplungsschleifen sind wichtig. Änderungen in Rückkopplungsschleifen können zu verschiedenen Problemen führen, einschließlich Diabetes mellitus.

Abbildung 7: In einem normalen Glukosezyklus führt ein Anstieg des Blutzuckerspiegels, der von der Bauchspeicheldrüse festgestellt wird, dazu, dass die Betazellen der Bauchspeicheldrüse Insulin absondern, bis ein normaler Blutzuckerspiegel erreicht ist. Wenn ein niedriger Blutzuckerspiegel festgestellt wird, setzen die Alpha-Zellen der Bauchspeicheldrüse Glucagon frei, um den Blutzuckerspiegel auf einen normalen Wert zu erhöhen.

Bei Typ-1-Diabetes funktionieren Betazellen nicht. Dies bedeutet, dass bei einem Anstieg des Blutzuckerspiegels die Insulinproduktion nicht ausgelöst wird und der Blutzuckerspiegel weiter ansteigt. Dies kann unter anderem zu Symptomen wie verschwommenem Sehen, Gewichtsverlust, Hyperventilation, Übelkeit und Erbrechen führen. Bei Typ-2-Diabetes sind chronisch hohe Blutzuckerspiegel als Folge von schlechter Ernährung und Bewegungsmangel aufgetreten. Dies führt dazu, dass Zellen Insulin nicht mehr erkennen und der Blutzuckerspiegel weiter ansteigt.

Positive und negative Rückkopplungsschleifen einwickeln

Rückkopplungsschleifen sind biologische Mechanismen, durch die die Homöostase aufrechterhalten wird. Dies geschieht, wenn das Produkt oder die Ausgabe eines Ereignisses oder einer Reaktion die Reaktion des Organismus auf diese Reaktion ändert. Positive Rückkopplung tritt auf, um die Änderung oder Ausgabe zu erhöhen: Das Ergebnis einer Reaktion wird verstärkt, damit sie schneller auftritt. Negative Rückkopplung tritt auf, um die Änderung oder Ausgabe zu reduzieren: Das Ergebnis einer Reaktion wird reduziert, um das System wieder in einen stabilen Zustand zu versetzen. Einige Beispiele für positives Feedback sind Kontraktionen bei der Geburt eines Kindes und die Reifung von Früchten; Beispiele für negatives Feedback sind die Regulierung des Blutzuckerspiegels und die Osmoregulation.

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