Il feedback è definito come l’informazione acquisita su una reazione a un prodotto, che consentirà la modifica del prodotto. I cicli di feedback sono quindi il processo in cui una modifica al sistema provoca un allarme che attiverà un determinato risultato. Questo risultato aumenterà la modifica al sistema o la ridurrà per riportare il sistema alla normalità. Rimangono alcune domande: come funzionano questi sistemi? Che cosa è un feedback positivo? Che cosa è il feedback negativo? Dove troviamo questi sistemi in natura?

I sistemi biologici operano su un meccanismo di ingressi e uscite, ciascuno causato da e causando un determinato evento. Un ciclo di feedback è un evento biologico in cui l’uscita di un sistema amplifica il sistema (feedback positivo) o inibisce il sistema (feedback negativo). I cicli di feedback sono importanti perché consentono agli organismi viventi di mantenere l’omeostasi. L’omeostasi è il meccanismo che ci consente di mantenere il nostro ambiente interno relativamente costante – non troppo caldo, o troppo freddo, non troppo affamato o stanco. Il livello di energia di cui un organismo ha bisogno per mantenere l’omeostasi dipende dal tipo di organismo e dall’ambiente in cui abita. Ad esempio, un pesce a sangue freddo mantiene la sua temperatura allo stesso livello dell’acqua circostante, e quindi non ha bisogno di controllare la sua temperatura interna. Confrontalo con una balena a sangue caldo nello stesso ambiente: ha bisogno di mantenere la sua temperatura corporea più alta di quella dell’acqua circostante, e quindi spenderà più energia nella regolazione della temperatura. Questa è una differenza tra ectotherms e endotherms: un ectotherm utilizza la temperatura ambientale per controllare la sua temperatura interna (ad esempio rettili, anfibi e pesci), mentre un endotherm utilizza l’omeostasi per mantenere la sua temperatura interna. Gli endoterme possono mantenere il loro metabolismo a una velocità costante, consentendo movimenti, reazioni e processi interni costanti, mentre gli ectoterme non possono mantenere il loro metabolismo a una velocità costante. Ciò significa che il loro movimento, reazione e processi interni dipendono da un adeguato calore esterno, ma significa anche che richiedono meno energia sotto forma di cibo, poiché i loro corpi non bruciano costantemente carburante.

I cicli di feedback possono verificarsi anche in misura maggiore: a livello di ecosistema, viene mantenuta una forma di omeostasi. Un buon esempio di questo è nel ciclo delle popolazioni di predatori e prede: un boom nella popolazione di prede significherà più cibo per i predatori, che aumenterà il numero di predatori. Questo porterà quindi a una predazione eccessiva e la popolazione di prede diminuirà di nuovo. La popolazione di predatori diminuirà in risposta, rilasciando la pressione sulla popolazione di prede e permettendole di riprendersi. Vedere figura 1. Un altro esempio è quello che è noto come la” corsa agli armamenti evolutiva”, in cui un predatore e la sua preda cercano continuamente di competere l’un l’altro. Una di queste relazioni è quella degli uccelli nettarivori e dei fiori di cui si nutrono. Gli uccelli si evolvono lunghi becchi per ottenere l’accesso al nettare all’interno del fiore. In risposta, il fiore sviluppa una forma a tromba sempre più lunga, nel tentativo di impedire all’uccello di raggiungere il nettare. L’uccello risponde sviluppando un becco ancora più lungo. E così continua.

Fonte dell’immagine: Wikimedia Commons

Figura 1: Le tendenze della popolazione di predatori e prede.

Cicli di feedback positivi

Un ciclo di feedback positivo si verifica in natura quando il prodotto di una reazione porta ad un aumento di tale reazione. Se guardiamo un sistema in omeostasi, un ciclo di feedback positivo sposta un sistema più lontano dal bersaglio di equilibrio. Lo fa amplificando gli effetti di un prodotto o di un evento e si verifica quando qualcosa deve accadere rapidamente.

Esempio 1: Maturazione dei frutti

C’è un effetto sorprendente in natura dove un albero o un cespuglio maturerà improvvisamente tutti i suoi frutti o verdure, senza alcun segnale visibile. Questo è il nostro primo esempio di un ciclo di feedback biologico positivo. Se guardiamo un melo, con molte mele, apparentemente durante la notte vanno tutte da acerbo a maturo a troppo maturo. Questo inizierà con la prima mela a maturare. Una volta maturo, emana un gas noto come etilene (C2H4) attraverso la sua pelle. Quando esposti a questo gas, anche le mele vicine maturano. Una volta maturi, anch’essi producono etilene, che continua a maturare il resto dell’albero in un effetto molto simile a un’onda. Questo ciclo di feedback viene spesso utilizzato nella produzione di frutta, con le mele esposte al gas etilene fabbricato per farle maturare più velocemente.

Figura 2: Il processo di maturazione delle mele è un ciclo di feedback positivo.

Esempio 2: Parto

Quando inizia il travaglio, la testa del bambino viene spinta verso il basso e provoca una maggiore pressione sulla cervice. Questo stimola le cellule del recettore a inviare un segnale chimico al cervello, consentendo il rilascio di ossitocina. Questa ossitocina si diffonde alla cervice attraverso il sangue, dove ha stimolato ulteriori contrazioni. Queste contrazioni stimolano ulteriormente il rilascio di ossitocina fino alla nascita del bambino.

Figura 3: Le contrazioni sperimentate durante il parto derivano da un ciclo di feedback positivo.

Esempio 3: Coagulazione del sangue

Quando il tessuto viene strappato o ferito, viene rilasciata una sostanza chimica. Questa sostanza chimica fa sì che le piastrine nel sangue si attivino. Una volta che queste piastrine si sono attivate, rilasciano una sostanza chimica che segnala più piastrine per attivarsi, fino a quando la ferita è coagulata.

Figura 4: Il processo di coagulazione della ferita è un ciclo di feedback positivo.

Loop di feedback negativo

Un loop di feedback negativo si verifica in biologia quando il prodotto di una reazione porta ad una diminuzione di quella reazione. In questo modo, un ciclo di feedback negativo avvicina un sistema a un obiettivo di stabilità o omeostasi. I loop di feedback negativi sono responsabili della stabilizzazione di un sistema e garantiscono il mantenimento di uno stato stabile e stabile. La risposta del meccanismo di regolazione è opposta all’output dell’evento.

Esempio 1: Regolazione della temperatura

La regolazione della temperatura nell’uomo avviene costantemente. Normale temperatura del corpo umano è di circa 98,6 ° F. Quando la temperatura corporea sale al di sopra di questo, due meccanismi calcio nel corpo comincia a sudare, e vasodilatazione si verifica per consentire più della superficie del sangue per essere esposti all’ambiente esterno più fresco. Come il sudore si raffredda, provoca raffreddamento evaporativo, mentre i vasi sanguigni causano raffreddamento convettivo. La temperatura normale è riacquistata. Se questi meccanismi di raffreddamento continuano, il corpo diventerà freddo. I meccanismi che poi calci in sono la formazione di pelle d’oca, e vasocostrizione. La pelle d’oca in altri mammiferi solleva i capelli o la pelliccia, consentendo di trattenere più calore. Nell’uomo, stringono la pelle circostante, riducendo (leggermente) la superficie da cui perdere calore. La vasocostrizione assicura che solo una piccola superficie delle vene sia esposta alla temperatura esterna più fredda, trattenendo il calore. La temperatura normale è riacquistata.

Figura 5: Il processo di regolazione della temperatura nell’uomo è un ciclo di feedback negativo.

Esempio 2: Regolazione della pressione arteriosa (Baroreflex)

La pressione arteriosa deve rimanere abbastanza alta da pompare sangue in tutte le parti del corpo, ma non così alta da causare danni mentre lo fa. Mentre il cuore sta pompando, i barocettori rilevano la pressione del sangue che attraversa le arterie. Se la pressione è troppo alta o troppo bassa, un segnale chimico viene inviato al cervello attraverso il nervo glossofaringeo. Il cervello invia quindi un segnale chimico al cuore per regolare la velocità di pompaggio: se la pressione sanguigna è bassa, la frequenza cardiaca aumenta, mentre se la pressione sanguigna è alta, la frequenza cardiaca diminuisce.

Esempio 3: Osmoregolazione

L’osmoregolazione si riferisce al controllo della concentrazione di vari liquidi all’interno del corpo, per mantenere l’omeostasi. Guarderemo di nuovo un esempio di pesce, vivendo nell’oceano. La concentrazione di sale nell’acqua che circonda il pesce è molto più alta di quella del liquido nel pesce. Quest’acqua entra nella diffusione del pesce attraverso le branchie, attraverso il consumo di cibo e attraverso il bere. Inoltre, poiché la concentrazione di sale è superiore all’esterno che all’interno del pesce, c’è una diffusione passiva del sale nel pesce e l’acqua fuori dal pesce. La concentrazione di sale è quindi troppo alta nel pesce e gli ioni di sale devono essere rilasciati attraverso l’escrezione. Ciò si verifica attraverso la pelle e nelle urine molto concentrate. Inoltre, alti livelli di sale nel sangue vengono rimossi tramite trasporto attivo dalle cellule secretorie di cloruro nelle branchie. Viene quindi mantenuta la corretta concentrazione di sale.

Figura 6: Il processo di osmoregolazione nei pesci d’acqua salata è un ciclo di feedback negativo costante.

Positivo vs Feedback negativo

La differenza fondamentale tra le risposte positive e negative è la loro risposta al cambiamento: feedback positivo amplifica il cambiamento, mentre le risposte negative riduce il cambiamento. Ciò significa che un feedback positivo si tradurrà in più di un prodotto: più mele, più contrazioni o più piastrine di coagulazione. Il feedback negativo si tradurrà in meno di un prodotto: meno calore, meno pressione o meno sale. Il feedback positivo si allontana da un punto di destinazione mentre il feedback negativo si sposta verso un obiettivo.

Perché il feedback è importante?

Senza feedback, l’omeostasi non può verificarsi. Ciò significa che un organismo perde la capacità di autoregolare il proprio corpo. I meccanismi di feedback negativo sono più comuni nell’omeostasi, ma anche i cicli di feedback positivi sono importanti. I cambiamenti nei cicli di feedback possono portare a vari problemi, tra cui il diabete mellito.

Figura 7: In un normale ciclo di glucosio, gli aumenti dei livelli di glucosio nel sangue rilevati dal pancreas indurranno le cellule beta del pancreas a secernere insulina fino al raggiungimento dei normali livelli di glucosio nel sangue. Mentre se vengono rilevati bassi livelli di glucosio nel sangue, le cellule alfa del pancreas rilasceranno glucagone per aumentare i livelli di glucosio nel sangue per essere normali.

Nel diabete di tipo 1, le cellule beta non funzionano. Ciò significa che quando i livelli di glucosio nel sangue aumentano, la produzione di insulina non viene attivata e quindi i livelli di glucosio nel sangue continuano a salire. Ciò può causare sintomi come visione offuscata, perdita di peso, iperventilazione, nausea e vomito, tra gli altri. Nel diabete di tipo 2, i livelli cronici di glucosio nel sangue si sono verificati a causa di cattiva alimentazione e mancanza di esercizio fisico. Ciò si traduce in cellule che non riconoscono più l’insulina, e quindi i livelli di glucosio nel sangue continuano a salire.

Avvolgere i cicli di feedback positivi e negativi

I cicli di feedback sono meccanismi biologici per cui viene mantenuta l’omeostasi. Ciò si verifica quando il prodotto o l’output di un evento o reazione cambia la risposta dell’organismo a tale reazione. Il feedback positivo si verifica per aumentare il cambiamento o l’output: il risultato di una reazione viene amplificato per farlo accadere più rapidamente. Il feedback negativo si verifica per ridurre il cambiamento o l’output: il risultato di una reazione viene ridotto per riportare il sistema a uno stato stabile. Alcuni esempi di feedback positivi sono le contrazioni nella nascita del bambino e la maturazione dei frutti; esempi di feedback negativi includono la regolazione dei livelli di glucosio nel sangue e l’osmoregolazione.

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