La rétroaction est définie comme l’information obtenue sur une réaction à un produit, ce qui permettra la modification du produit. Les boucles de rétroaction sont donc le processus par lequel une modification du système entraîne une alarme qui déclenchera un certain résultat. Ce résultat augmentera la modification du système ou la réduira pour ramener le système à la normale. Quelques questions demeurent : Comment fonctionnent ces systèmes ? Qu’est-ce qu’un feedback positif ? Qu’est-ce que la rétroaction négative? Où trouvons-nous ces systèmes dans la nature?

Les systèmes biologiques fonctionnent sur un mécanisme d’entrées et de sorties, chacun causé par et provoquant un certain événement. Une boucle de rétroaction est un événement biologique dans lequel la sortie d’un système amplifie le système (rétroaction positive) ou inhibe le système (rétroaction négative). Les boucles de rétroaction sont importantes car elles permettent aux organismes vivants de maintenir l’homéostasie. L’homéostasie est le mécanisme qui nous permet de maintenir notre environnement interne relativement constant – ni trop chaud, ni trop froid, ni trop faim ou fatigué. Le niveau d’énergie dont un organisme a besoin pour maintenir l’homéostasie dépend du type d’organisme, ainsi que de l’environnement qu’il habite. Par exemple, un poisson à sang froid maintient sa température au même niveau que l’eau qui l’entoure et n’a donc pas besoin de contrôler sa température interne. Comparez cela à une baleine à sang chaud dans le même environnement: elle doit maintenir sa température corporelle plus élevée que celle de l’eau qui l’entoure, et ainsi elle dépensera plus d’énergie dans la régulation de la température. C’est une différence entre les ectothermes et les endothermes: un ectotherme utilise la température ambiante pour contrôler sa température interne (par exemple, les reptiles, les amphibiens et les poissons), tandis qu’un endotherme utilise l’homéostasie pour maintenir sa température interne. Les endothermes peuvent maintenir leur métabolisme à un rythme constant, permettant un mouvement, une réaction et des processus internes constants, tandis que les ectothermes ne peuvent pas maintenir leur métabolisme à un rythme constant. Cela signifie que leur mouvement, leur réaction et leurs processus internes dépendent d’une chaleur externe adéquate, mais cela signifie également qu’ils nécessitent moins d’énergie sous forme de nourriture, car leur corps ne brûle pas constamment de carburant.

Les boucles de rétroaction peuvent également se produire à un degré plus important: au niveau de l’écosystème, une forme d’homéostasie est maintenue. Un bon exemple de cela se trouve dans le cycle des populations de prédateurs et de proies: un boom de la population de proies signifiera plus de nourriture pour les prédateurs, ce qui augmentera le nombre de prédateurs. Cela entraînera alors une prédation excessive et la population de proies diminuera à nouveau. La population de prédateurs diminuera en réponse, libérant la pression sur la population de proies et lui permettant de rebondir. Voir figure 1. Un autre exemple est ce que l’on appelle la « course aux armements évolutionnaires”, dans laquelle un prédateur et sa proie tentent continuellement de se faire concurrence. L’une de ces relations est celle des oiseaux nectarivores et des fleurs dont ils se nourrissent. Les oiseaux développent de longs becs pour accéder au nectar de la fleur. En réponse, la fleur développe une forme de trompette de plus en plus longue, dans le but d’empêcher l’oiseau d’atteindre le nectar. L’oiseau réagit en développant un bec encore plus long. Et cela continue.

Source de l’image: Wikimedia Commons

Figure 1: Les tendances des populations de prédateurs et de proies.

Boucles de rétroaction positive

Une boucle de rétroaction positive se produit dans la nature lorsque le produit d’une réaction entraîne une augmentation de cette réaction. Si nous regardons un système en homéostasie, une boucle de rétroaction positive éloigne un système de la cible d’équilibre. Il le fait en amplifiant les effets d’un produit ou d’un événement et se produit lorsque quelque chose doit se produire rapidement.

Exemple 1 : Maturation des fruits

Il y a un effet surprenant dans la nature où un arbre ou un buisson va soudainement mûrir tous ses fruits ou légumes, sans aucun signal visible. C’est notre premier exemple de boucle de rétroaction biologique positive. Si nous regardons un pommier, avec beaucoup de pommes, apparemment du jour au lendemain, elles passent toutes de non mûres à mûres à trop mûres. Cela commencera avec la première pomme à mûrir. Une fois mûr, il dégage un gaz appelé éthylène (C2H4) à travers sa peau. Lorsqu’elles sont exposées à ce gaz, les pommes à proximité mûrissent également. Une fois mûrs, ils produisent eux aussi de l’éthylène, qui continue de mûrir le reste de l’arbre dans un effet semblable à une vague. Cette boucle de rétroaction est souvent utilisée dans la production de fruits, les pommes étant exposées au gaz éthylène fabriqué pour les faire mûrir plus rapidement.

Figure 2: Le processus de maturation des pommes est une boucle de rétroaction positive.

Exemple 2: Accouchement

Lorsque le travail commence, la tête du bébé est poussée vers le bas et entraîne une pression accrue sur le col de l’utérus. Cela stimule les cellules réceptrices à envoyer un signal chimique au cerveau, permettant la libération d’ocytocine. Cette ocytocine se diffuse vers le col de l’utérus via le sang, où elle stimule d’autres contractions. Ces contractions stimulent davantage la libération d’ocytocine jusqu’à la naissance du bébé.

Figure 3:Les contractions subies lors de l’accouchement résultent d’une boucle de rétroaction positive.

Exemple 3:Coagulation du sang

Lorsque des tissus sont déchirés ou blessés, un produit chimique est libéré. Ce produit chimique provoque l’activation des plaquettes dans le sang. Une fois ces plaquettes activées, elles libèrent un produit chimique qui signale l’activation de plus de plaquettes, jusqu’à ce que la plaie soit coagulée.

Figure 4: Le processus de coagulation de la plaie est une boucle de rétroaction positive.

Boucles de rétroaction négative

Une boucle de rétroaction négative se produit en biologie lorsque le produit d’une réaction entraîne une diminution de cette réaction. De cette façon, une boucle de rétroaction négative rapproche un système d’une cible de stabilité ou d’homéostasie. Les boucles de rétroaction négative sont responsables de la stabilisation d’un système et assurent le maintien d’un état stable et stable. La réponse du mécanisme de régulation est opposée à la sortie de l’événement.

Exemple 1: Régulation de la température

La régulation de la température chez l’homme se produit constamment. La température normale du corps humain est d’environ 98,6 ° F. Lorsque la température corporelle dépasse ce seuil, deux mécanismes se déclenchent dans le corps et une vasodilatation se produit pour permettre à une plus grande partie de la surface du sang d’être exposée à l’environnement externe plus frais. Lorsque la sueur se refroidit, elle provoque un refroidissement par évaporation, tandis que les vaisseaux sanguins provoquent un refroidissement par convection. La température normale est rétablie. Si ces mécanismes de refroidissement se poursuivent, le corps deviendra froid. Les mécanismes qui entrent alors en jeu sont la formation de la chair de poule et la vasoconstriction. Chez d’autres mammifères, la chair de poule soulève les poils ou la fourrure, ce qui permet de retenir plus de chaleur. Chez l’homme, ils resserrent la peau environnante, réduisant (légèrement) la surface à partir de laquelle perdre de la chaleur. La vasoconstriction garantit que seule une petite surface des veines est exposée à la température extérieure plus froide, retenant la chaleur. La température normale est rétablie.

Figure 5: Le processus de régulation de la température chez l’homme est une boucle de rétroaction négative.

Exemple 2: Régulation de la pression artérielle (Baroréflexe)

La pression artérielle doit rester suffisamment élevée pour pomper le sang dans toutes les parties du corps, mais pas au point de causer des dommages. Pendant que le cœur pompe, les barorécepteurs détectent la pression du sang traversant les artères. Si la pression est trop élevée ou trop basse, un signal chimique est envoyé au cerveau via le nerf glossopharyngé. Le cerveau envoie alors un signal chimique au cœur pour ajuster la fréquence de pompage: si la pression artérielle est basse, la fréquence cardiaque augmente, tandis que si la pression artérielle est élevée, la fréquence cardiaque diminue.

Exemple 3: Osmorégulation

L’osmorégulation fait référence au contrôle de la concentration de divers liquides dans le corps, afin de maintenir l’homéostasie. Nous examinerons à nouveau un exemple de poisson vivant dans l’océan. La concentration de sel dans l’eau entourant le poisson est beaucoup plus élevée que celle du liquide contenu dans le poisson. Cette eau pénètre dans la diffusion du poisson par les branchies, par la consommation alimentaire et par la consommation d’alcool. De plus, comme la concentration de sel est plus élevée à l’extérieur qu’à l’intérieur du poisson, il y a diffusion passive du sel dans le poisson et de l’eau hors du poisson. La concentration en sel est alors trop élevée chez le poisson et les ions sel doivent être libérés par excrétion. Cela se produit via la peau et dans l’urine très concentrée. De plus, des niveaux élevés de sel dans le sang sont éliminés par transport actif par les cellules sécrétrices de chlorure dans les branchies. La concentration en sel correcte est ainsi maintenue.

Figure 6:Le processus d’osmorégulation chez les poissons d’eau salée est une boucle de rétroaction négative constante.

Rétroaction positive contre rétroaction négative

La principale différence entre la rétroaction positive et négative est leur réponse au changement: la rétroaction positive amplifie le changement tandis que la rétroaction négative réduit le changement. Cela signifie que la rétroaction positive se traduira par plus d’un produit: plus de pommes, plus de contractions ou plus de plaquettes de coagulation. Une rétroaction négative se traduira par moins de produit: moins de chaleur, moins de pression ou moins de sel. La rétroaction positive s’éloigne d’un point cible tandis que la rétroaction négative se déplace vers une cible.

Pourquoi la rétroaction est-elle importante?

Sans rétroaction, l’homéostasie ne peut pas se produire. Cela signifie qu’un organisme perd la capacité d’autoréguler son corps. Les mécanismes de rétroaction négative sont plus courants dans l’homéostasie, mais les boucles de rétroaction positives sont également importantes. Les changements dans les boucles de rétroaction peuvent entraîner divers problèmes, y compris le diabète sucré.

Figure 7:Dans un cycle de glucose normal, l’augmentation de la glycémie détectée par le pancréas entraînera la sécrétion d’insuline par les cellules bêta du pancréas jusqu’à ce que la glycémie normale soit atteinte. Alors que si une glycémie basse est détectée, les cellules alpha du pancréas libèrent du glucagon pour augmenter la glycémie pour qu’elle soit normale.

Dans le diabète de type 1, les cellules bêta ne fonctionnent pas. Cela signifie que lorsque la glycémie augmente, la production d’insuline n’est pas déclenchée et que la glycémie continue d’augmenter. Cela peut entraîner des symptômes tels qu’une vision floue, une perte de poids, une hyperventilation, des nausées et des vomissements, entre autres. Dans le diabète de type 2, une glycémie chronique élevée est survenue en raison d’une mauvaise alimentation et d’un manque d’exercice. Il en résulte que les cellules ne reconnaissent plus l’insuline et que la glycémie continue d’augmenter.

Enveloppant des Boucles de rétroaction positives et négatives

Les boucles de rétroaction sont des mécanismes biologiques par lesquels l’homéostasie est maintenue. Cela se produit lorsque le produit ou la sortie d’un événement ou d’une réaction modifie la réponse de l’organisme à cette réaction. Une rétroaction positive se produit pour augmenter le changement ou la sortie: le résultat d’une réaction est amplifié pour le faire se produire plus rapidement. Une rétroaction négative se produit pour réduire le changement ou la sortie: le résultat d’une réaction est réduit pour ramener le système à un état stable. Quelques exemples de rétroaction positive sont les contractions lors de la naissance de l’enfant et de la maturation des fruits; les exemples de rétroaction négative incluent la régulation de la glycémie et l’osmorégulation.

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