takaisinkytkennällä tarkoitetaan tuotteen reaktiosta saatua tietoa, joka mahdollistaa tuotteen muokkaamisen. Takaisinkytkennät ovat siis prosessi, jossa järjestelmän muutos johtaa hälytykseen, joka laukaisee tietyn tuloksen. Tämä tulos joko lisää järjestelmän muutosta tai vähentää sitä järjestelmän palauttamiseksi normaaliksi. Jäljelle jää vielä muutama kysymys: miten nämä järjestelmät toimivat? Mikä on positiivinen palaute? Mitä on negatiivinen palaute? Mistä näitä järjestelmiä löytyy luonnosta?

biologiset järjestelmät toimivat Tulo-ja lähtömekanismilla, joista jokainen on tietyn tapahtuman aiheuttama ja aiheuttava. Takaisinkytkentäsilmukka on biologinen tapahtuma, jossa systeemin ulostulo vahvistaa systeemiä (positiivinen takaisinkytkentä) tai estää systeemiä (negatiivinen takaisinkytkentä). Takaisinkytkentäsilmukat ovat tärkeitä, koska niiden avulla elävät organismit pystyvät ylläpitämään homeostaasia. Homeostaasi on mekanismi, jonka avulla voimme pitää sisäisen ympäristömme suhteellisen vakiona – ei liian kuumana tai kylmänä, ei liian nälkäisenä tai väsyneenä. Eliön tarvitsema energiataso homeostaasin ylläpitämiseksi riippuu eliön tyypistä sekä sen asuttamasta ympäristöstä. Esimerkiksi vaihtolämpöinen kala pitää lämpötilansa samalla tasolla kuin ympärillä oleva vesi, joten sen ei tarvitse kontrolloida sisälämpötilaansa. Vertaa tätä samassa ympäristössä elävään lämminveriseen valaaseen: sen ruumiinlämpö on pidettävä korkeammalla kuin ympärillä olevan veden lämpötila, jolloin se kuluttaa enemmän energiaa lämpötilan säätelyyn. Tämä on ero ectotherms ja endotherms: ectotherm käyttää ympäristön lämpötilaa säätelemään sisälämpötilaansa (esim.matelijat, sammakkoeläimet ja Kalat), kun taas endotherm käyttää homeostaasia ylläpitääkseen sisälämpötilaansa. Endotermit voivat ylläpitää aineenvaihduntaansa tasaisella nopeudella, mikä mahdollistaa jatkuvan liikkeen, reaktion ja sisäiset prosessit, kun taas ektermit eivät voi ylläpitää aineenvaihduntaansa tasaisella nopeudella. Tämä tarkoittaa sitä, että niiden liike, reaktio ja sisäiset prosessit ovat riippuvaisia riittävästä ulkoisesta lämmöstä, mutta se tarkoittaa myös sitä, että ne tarvitsevat vähemmän energiaa ruoan muodossa, koska niiden elimistö ei polta jatkuvasti polttoainetta.

Takaisinkytkentäsilmukoita voi esiintyä myös suuremmassa määrin: ekosysteemitasolla säilyy homeostaasin muoto. Hyvä esimerkki tästä on peto-ja saaliskantojen kiertokulku: saaliskannan nousukausi tarkoittaa petoeläimille lisää ravintoa, mikä lisää petojen määrää. Tämä johtaa sitten ylisaaliiseen saalistukseen, ja saaliskanta kääntyy jälleen laskuun. Petopopulaatio taantuu vastauksena, mikä vapauttaa saalispopulaatioon kohdistuvan paineen ja antaa sen pomppia takaisin. Katso kuva 1. Toinen esimerkki on niin sanottu” evolutionaarinen kilpavarustelu”, jossa saalistaja ja sen saalis yrittävät jatkuvasti kilpailla keskenään. Yksi tällainen suhde on nectarivous birds ja kukat, joita ne käyttävät ravinnokseen. Linnuille kehittyy pitkä nokka, jotta ne pääsisivät käsiksi kukan sisältämään medeen. Vastareaktiona kukalle kehittyy pitempi ja pitempi trumpettimainen muoto, jolla pyritään estämään linnun pääsy meden luokse. Lintu reagoi kehittämällä vielä pidemmän nokan. Ja niin se jatkuu.

Kuvan lähde: Wikimedia Commons

kuva 1: petoeläinten ja saaliin populaatiosuuntaukset.

positiiviset Takaisinkytkentäsilmukat

positiivinen takaisinkytkentäsilmukka syntyy luonnossa, kun reaktion tulo johtaa kyseisen reaktion lisääntymiseen. Jos tarkastelemme systeemiä homeostaasissa, positiivinen takaisinkytkentäsilmukka siirtää systeemin kauemmas tasapainotavoitteesta. Se tekee tämän vahvistamalla tuotteen tai tapahtuman vaikutuksia ja tapahtuu, kun jotain on tapahduttava nopeasti.

Esimerkki 1: hedelmien kypsyminen

luonnossa on yllättävä vaikutus, jossa puu tai pensas kypsyttää yhtäkkiä kaikki hedelmänsä tai vihanneksensa ilman näkyvää signaalia. Tämä on ensimmäinen esimerkki positiivisesta biologisesta takaisinkytkennästä. Jos katsomme omenapuuta, jossa on paljon omenoita, ne kaikki näyttävät yhdessä yössä muuttuvan raa ’ asta kypsästä ylikypsäksi. Tämä alkaa ensimmäisestä kypsyvästä omenasta. Kun se on kypsynyt, se luovuttaa etyleeni-nimistä kaasua (C2H4) ihonsa läpi. Tälle kaasulle altistuessaan myös sen lähellä olevat omenat kypsyvät. Kypsyttyään nekin tuottavat eteeniä, joka jatkaa puun muiden osien kypsyttämistä paljolti aallon kaltaisella vaikutuksella. Tätä takaisinkytkentäsilmukkaa käytetään usein hedelmäntuotannossa, ja omenat altistetaan valmistetulle etyleenikaasulle, jotta ne kypsyisivät nopeammin.

kuva 2: omenoiden kypsyminen on positiivinen takaisinkytkentä.

Esimerkki 2: synnytys

synnytyksen alkaessa vauvan pää painuu alaspäin, mikä lisää painetta kohdunkaulaan. Tämä stimuloi reseptorisoluja lähettämään kemiallista signaalia aivoihin, mikä mahdollistaa oksitosiinin vapautumisen. Tämä oksitosiini diffundoituu kohdunkaulaan veren kautta, jossa se kiihdyttää edelleen supistuksia. Nämä supistukset stimuloivat oksitosiinin vapautumista, kunnes vauva on syntynyt.

kuva 3: synnytyksessä koetut supistukset syntyvät positiivisen takaisinkytkennän seurauksena.

esimerkki 3: veren hyytyminen

kun kudos repeytyy tai vahingoittuu, vapautuu kemikaalia. Tämä kemikaali saa veren verihiutaleet aktivoitumaan. Kun nämä verihiutaleet ovat aktivoituneet, ne vapauttavat kemikaalin, joka lähettää lisää verihiutaleita aktivoitumaan, kunnes haava on hyytynyt.

kuva 4: haavan hyytymisprosessi on positiivinen takaisinkytkentäsilmukka.

negatiiviset Takaisinkytkentäsilmukat

negatiivinen takaisinkytkentäsilmukka syntyy biologiassa, kun reaktion tulo johtaa kyseisen reaktion vähenemiseen. Näin negatiivinen takaisinkytkentäsilmukka tuo systeemin lähemmäksi stabiilisuuden eli homeostaasin tavoitetta. Negatiiviset takaisinkytkentäsilmukat ovat vastuussa järjestelmän vakauttamisesta ja varmistavat tasaisen, vakaan tilan ylläpidon. Säätelymekanismin vaste on päinvastainen kuin tapahtuman ulostulo.

Esimerkki 1: lämpötilan säätely

lämpötilan säätely ihmisillä tapahtuu jatkuvasti. Normaali ihmisen ruumiinlämpö on noin 98,6°F. kun kehon lämpötila nousee tämän yläpuolelle, kaksi mekanismia potku kehossa alkaa hikoilla, ja vasodilataatio tapahtuu, jotta enemmän veren pinta-alasta altistuu viileämmälle ulkoiselle ympäristölle. Jäähtyessään hiki aiheuttaa haihtumisjäähdytystä, kun taas verisuonet aiheuttavat konvektiivista jäähdytystä. Normaali lämpötila on palautunut. Jos nämä jäähtymismekanismit jatkuvat, keho kylmenee. Mekanismit, jotka sitten käynnistyvät, ovat kananlihan muodostuminen ja vasokonstriktio. Muilla nisäkkäillä kananliha nostaa karvaa tai Turkkia, jolloin lämpö säilyy paremmin. Ihmisillä ne kiristävät ympäröivää ihoa, mikä vähentää (hieman) pinta-alaa, josta menettää lämpöä. Vasokonstriktio varmistaa, että vain pieni pinta-ala laskimot altistuvat viileämpi ulkolämpötila, säilyttäen lämpöä. Normaali lämpötila on palautunut.

kuva 5: lämpötilan säätelyprosessi ihmisillä on negatiivinen takaisinkytkentäsilmukka.

Esimerkki 2: verenpaineen säätelyn (Baroreflex)

verenpaineen on pysyttävä riittävän korkeana veren pumppaamiseksi kaikkiin kehon osiin, mutta ei niin korkeana, että se aiheuttaisi vahinkoa samalla. Kun sydän pumppaa, baroreseptorit havaitsevat valtimoiden läpi kulkevan veren paineen. Jos paine on liian korkea tai liian alhainen, kemiallinen signaali lähetetään aivoihin glossopharyngeal hermo. Tämän jälkeen aivot lähettävät sydämelle kemiallisen signaalin pumppausnopeuden säätämiseksi: jos verenpaine on alhainen, syke nousee, kun taas jos verenpaine on korkea, syke laskee.

esimerkki 3: Osmoregulaatio

Osmoregulaatiolla tarkoitetaan erilaisten nesteiden pitoisuuden säätelyä kehossa homeostaasin ylläpitämiseksi. Tarkastelemme jälleen esimerkkiä meressä elävästä kalasta. Suolapitoisuus kalaa ympäröivässä vedessä on paljon suurempi kuin kalan nesteessä. Tämä vesi kulkeutuu kaloihin kidusten kautta, ruoan nauttimisen ja juomisen kautta. Koska suolapitoisuus on myös suurempi kalan ulkopuolella kuin sen sisällä, suola leviää kalaan passiivisesti ja kalasta poistuu vettä. Suolapitoisuus on silloin kalassa liian korkea, ja suola-ioneja on vapautettava erittymisen kautta. Tämä tapahtuu ihon kautta ja hyvin väkevässä virtsassa. Lisäksi korkea suolapitoisuus veressä poistuu aktiivisen kuljetuksen kautta kiduksissa olevien kloridin erityssolujen avulla. Oikea suolapitoisuus säilyy näin.

kuva 6: suolaisen veden kalojen osmoregulaatioprosessi on jatkuva negatiivinen takaisinkytkentäsilmukka.

positiivinen vs. negatiivinen palaute

keskeinen ero positiivisen ja negatiivisen palautteen välillä on niiden reagointi muutokseen: positiivinen palaute vahvistaa muutosta, kun taas negatiivinen palaute vähentää muutosta. Tämä tarkoittaa, että positiivinen palaute johtaa enemmän tuote: enemmän omenoita, enemmän supistuksia, tai enemmän hyytymistä verihiutaleiden. Negatiivinen takaisinkytkentä johtaa tuotteen vähenemiseen: vähemmän lämpöä, vähemmän painetta tai vähemmän suolaa. Positiivinen palaute siirtyy poispäin kohdepisteestä, kun taas negatiivinen palaute siirtyy kohti kohdetta.

miksi palaute on tärkeää?

ilman takaisinkytkentää homeostaasia ei voi esiintyä. Tämä tarkoittaa sitä, että organismi menettää kyvyn itsesäätellä kehoaan. Negatiiviset takaisinkytkentämekanismit ovat homeostaasissa yleisempiä, mutta myös positiiviset takaisinkytkentäsilmukat ovat tärkeitä. Takaisinkytkennän muutokset voivat johtaa erilaisiin ongelmiin, kuten diabetes mellitukseen.

kuva 7: normaalissa glukoosisyklissä haiman havaitsema veren glukoosipitoisuuden nousu johtaa siihen, että haiman beetasolut erittävät insuliinia, kunnes normaali verensokeri on saavutettu. Kun taas jos alhainen verensokeri havaitaan, alfa-solujen haima vapauttaa glukagonin nostaa veren glukoosipitoisuus on normaali.

tyypin 1 diabeteksessa beetasolut eivät toimi. Tämä tarkoittaa sitä, että kun veren glukoosipitoisuus nousee, insuliinin tuotanto ei käynnisty, joten veren glukoosipitoisuus jatkaa nousuaan. Tämä voi aiheuttaa muun muassa näön hämärtymistä, laihtumista, hyperventilaatiota, pahoinvointia ja oksentelua. Tyypin 2 diabeteksessa krooninen korkea verensokeri on johtunut huonosta ruokavaliosta ja liikunnan puutteesta. Tämä johtaa siihen, että solut eivät enää tunnista insuliinia, ja siksi veren glukoosipitoisuus jatkaa nousuaan.

positiivisten ja negatiivisten Takaisinkytkentäsilmukoiden kääriminen

Takaisinkytkentäsilmukat ovat biologisia mekanismeja, joilla homeostaasi säilyy. Tämä tapahtuu, kun tapahtuman tai reaktion tuote tai tuotos muuttaa eliön reaktiota kyseiseen reaktioon. Positiivinen takaisinkytkentä tapahtuu muutoksen tai ulostulon lisäämiseksi: reaktion tulos monistetaan, jotta se tapahtuisi nopeammin. Negatiivinen takaisinkytkentä tapahtuu muutoksen tai ulostulon vähentämiseksi: reaktion tulos pienenee järjestelmän palauttamiseksi vakaaseen tilaan. Joitakin esimerkkejä positiivisesta palautteesta ovat lapsen syntymän supistuminen ja hedelmien kypsyminen; negatiivista palautetta ovat esimerkiksi veren glukoosipitoisuuden säätely ja osmoregulaatio.

Etsitkö biologian harjoittelua?

Kickstart biologian preppaus Albertin kanssa. Aloita AP® tentti prep tänään.