Feedback wordt gedefinieerd als de verkregen informatie over een reactie op een product, waardoor het product kan worden gewijzigd. Feedback loops zijn daarom het proces waarbij een verandering in het systeem resulteert in een alarm dat een bepaald resultaat zal veroorzaken. Dit resultaat zal ofwel de verandering in het systeem verhogen of verminderen om het systeem weer normaal te maken. Er zijn nog enkele vragen: Hoe werken deze systemen? Wat is een positieve feedback? Wat is negatieve feedback? Waar vinden we deze systemen in de natuur?

biologische systemen werken op een mechanisme van in-en uitgangen, elk veroorzaakt door en veroorzaakt door een bepaalde gebeurtenis. Een feedbacklus is een biologisch verschijnsel waarbij de output van een systeem het systeem versterkt (positieve feedback) of het systeem remt (negatieve feedback). De terugkoppelingslussen zijn belangrijk omdat zij levende organismen toestaan om homeostase te handhaven. Homeostase is het mechanisme dat ons in staat stelt om onze interne omgeving relatief constant te houden – niet te warm, of te koud, niet te hongerig of moe. Het niveau van energie dat een organisme nodig heeft om homeostase te behouden, hangt af van het type organisme, evenals de omgeving waarin het zich bevindt. Een koudbloedige vis houdt bijvoorbeeld zijn temperatuur op hetzelfde niveau als het water eromheen, en hoeft dus zijn interne temperatuur niet te controleren. Vergelijk dit met een warmbloedige walvis in dezelfde omgeving: hij moet zijn lichaamstemperatuur hoger houden dan die van het water eromheen, en dus zal hij meer energie besteden aan temperatuurregeling. Dit is een verschil tussen ectothermen en endothermen: een ectotherm gebruikt de omgevingstemperatuur om zijn interne temperatuur te regelen (bijvoorbeeld reptielen, amfibieën en vissen), terwijl een endotherm homeostase gebruikt om zijn interne temperatuur te handhaven. Endothermen kunnen hun metabolisme handhaven op een constante snelheid, waardoor constante beweging, reactie en interne processen, terwijl ectothermen hun metabolisme niet kunnen handhaven op een constante snelheid. Dit betekent dat hun beweging, reactie en interne processen afhankelijk zijn van voldoende externe warmte, maar het betekent ook dat ze minder energie nodig hebben in de vorm van voedsel, omdat hun lichaam niet constant brandstof verbrandt.

feedbacklussen kunnen ook in grotere mate voorkomen: op ecosysteemniveau wordt een vorm van homeostase gehandhaafd. Een goed voorbeeld hiervan is de cyclus van roofdieren en prooienpopulaties: een boom in prooienpopulatie betekent meer voedsel voor roofdieren, wat het aantal roofdieren zal verhogen. Dit zal dan leiden tot overpredatie, en de prooienpopulatie zal opnieuw afnemen. De roofdierpopulatie zal afnemen in reactie, waardoor de druk op de prooienpopulatie vrijkomt en het weer terug kan keren. Zie figuur 1. Een ander voorbeeld is wat bekend staat als de” evolutionaire wapenwedloop”, waarin een roofdier en zijn prooi voortdurend proberen elkaar te beconcurreren. Een dergelijke relatie is die van nectarivore vogels en de bloemen waarop ze voeden. De vogels ontwikkelen lange snavels om toegang te krijgen tot de nectar in de bloem. Als reactie ontwikkelt de bloem een steeds langere trompetachtige vorm, in een poging om te voorkomen dat de vogel bij de nectar komt. De vogel reageert door een nog langere snavel te ontwikkelen. En zo gaat het verder.

bron: Wikimedia Commons

figuur 1: de populatietrends van roofdier en prooi.

positieve Feedback Loops

een positieve feedback loop treedt op in de natuur wanneer het product van een reactie leidt tot een toename van die reactie. Als we naar een systeem in homeostase kijken, beweegt een positieve terugkoppelingslus een systeem verder weg van het doel van evenwicht. Het doet dit door de effecten van een product of gebeurtenis te versterken en treedt op wanneer iets snel moet gebeuren.

Voorbeeld 1: fruitrijping

Er is een verrassend effect in de natuur waar een boom of struik plotseling al zijn groenten of fruit rijpt, zonder enig zichtbaar signaal. Dit is ons eerste voorbeeld van een positieve biologische terugkoppelingslus. Als we kijken naar een appelboom, met veel appels, schijnbaar van de ene op de andere dag gaan ze allemaal van onrijp naar Rijp naar overrijp. Dit zal beginnen met de eerste appel te rijpen. Eenmaal Rijp, geeft het een gas dat bekend staat als ethyleen (C2H4) door zijn huid. Bij blootstelling aan dit gas rijpen ook de appels in de buurt ervan. Eenmaal Rijp, ook zij produceren ethyleen, die blijft rijpen de rest van de boom in een effect net als een golf. Deze feedback loop wordt vaak gebruikt in de fruitproductie, met appels worden blootgesteld aan vervaardigd ethyleen gas om ze sneller rijpen.

Figuur 2: het proces van appelenrijpen is een positieve terugkoppeling.

Voorbeeld 2: bevalling

wanneer de bevalling begint, wordt het hoofd van de baby naar beneden geduwd en resulteert in verhoogde druk op de baarmoederhals. Dit stimuleert receptorcellen om een chemisch signaal naar de hersenen te sturen, waardoor oxytocine vrijkomt. Dit oxytocine verspreidt naar de baarmoederhals via het bloed, waar het verdere contracties stimuleerde. Deze contracties stimuleren verdere afgifte van oxytocine totdat de baby is geboren.

Figuur 3: de weeën bij de bevalling ontstaan als gevolg van een positieve feedback loop.

Voorbeeld 3: bloedstolling

wanneer weefsel wordt gescheurd of gewond, komt een chemische stof vrij. Deze chemische stof zorgt ervoor dat bloedplaatjes in het bloed te activeren. Zodra deze bloedplaatjes geactiveerd zijn, geven ze een chemische stof af die meer bloedplaatjes aangeeft om te activeren, totdat de wond is gestold.

Figuur 4: het proces van wondstolling is een positieve terugkoppelingslus.

negatieve Feedback Loops

een negatieve feedback loop treedt op in de biologie wanneer het product van een reactie leidt tot een afname van die reactie. Op deze manier, brengt een negatieve terugkoppelingslus een systeem dichter bij een doel van stabiliteit of homeostase. Negatieve feedbacklussen zijn verantwoordelijk voor de stabilisatie van een systeem en zorgen voor het behoud van een stabiele, stabiele toestand. De reactie van het regelmechanisme is tegengesteld aan de output van de gebeurtenis.

Voorbeeld 1: temperatuurregulatie

temperatuurregulatie bij mensen komt constant voor. De normale menselijke lichaamstemperatuur is ongeveer 98.6 ° F. Wanneer de lichaamstemperatuur boven dit stijgt, beginnen twee mechanismen in het lichaam te zweten, en vasodilatatie treedt op om meer van het bloedoppervlak toe te staan om aan de koelere externe omgeving te worden blootgesteld. Als het zweet afkoelt, veroorzaakt het verdampingskoeling, terwijl de bloedvaten convectieve koeling veroorzaken. Normale temperatuur is weer terug. Als deze koelmechanismen doorgaan, wordt het lichaam koud. De mechanismen die dan kick in zijn de vorming van kippenvel, en vasoconstrictie. Kippenvel bij andere zoogdieren verhogen het haar of de vacht, waardoor meer warmte wordt vastgehouden. Bij mensen spannen ze de omringende huid aan, waardoor ze (iets) het oppervlak verminderen van waaruit ze warmte verliezen. Vasoconstrictie zorgt ervoor dat slechts een klein oppervlak van de aderen wordt blootgesteld aan de koelere buitentemperatuur, waardoor warmte wordt behouden. Normale temperatuur is weer terug.

Figuur 5: het proces van temperatuurregulatie bij mensen is een negatieve terugkoppelingslus.

Voorbeeld 2: bloeddrukregulatie (Baroreflex)

bloeddruk moet hoog genoeg blijven om het bloed naar alle delen van het lichaam te pompen, maar niet zo hoog dat er schade ontstaat. Terwijl het hart pompt, detecteren baroreceptoren de druk van het bloed dat door de slagaders gaat. Als de druk te hoog of te laag is, wordt een chemisch signaal naar de hersenen gestuurd via de glossofaryngeale zenuw. De hersenen sturen vervolgens een chemisch signaal naar het hart om de pompsnelheid aan te passen: als de bloeddruk laag is, neemt de hartslag toe, terwijl als de bloeddruk hoog is, de hartslag afneemt.

Voorbeeld 3: osmoregulatie

osmoregulatie verwijst naar de controle van de concentratie van verschillende vloeistoffen in het lichaam, om de homeostase te handhaven. We zullen opnieuw kijken naar een voorbeeld van een vis die in de oceaan leeft. De zoutconcentratie in het water rondom de vis is veel hoger dan die van de vloeistof in de vis. Dit water komt in de verspreiding van de vissen door de kieuwen, door voedselconsumptie, en door het drinken. Ook omdat de zoutconcentratie buiten hoger is dan binnen in de vis, is er passieve verspreiding van zout in de vis en water uit de vis. De zoutconcentratie is dan te hoog in de vis, en zoutionen moeten via excretie vrijkomen. Dit gebeurt via de huid en in zeer geconcentreerde urine. Bovendien worden hoge zoutniveaus in het bloed verwijderd via actief transport door de chloridesecretiecellen in de kieuwen. Zo wordt de juiste zoutconcentratie gehandhaafd.

Figuur 6: het proces van osmoregulatie bij zoutwatervissen is een constante negatieve terugkoppeling.

positieve versus negatieve Feedback

het belangrijkste verschil tussen positieve en negatieve feedback is hun reactie op verandering: positieve feedback versterkt verandering, terwijl negatieve feedback verandering vermindert. Dit betekent dat positieve feedback zal resulteren in meer van een product: meer appels, meer samentrekkingen, of meer stollende bloedplaatjes. Negatieve feedback zal resulteren in minder van een product: minder warmte, minder druk, of minder zout. Positieve feedback beweegt weg van een doelpunt, terwijl negatieve feedback beweegt naar een doel.

Waarom is Feedback belangrijk?

zonder feedback kan homeostase niet optreden. Dit betekent dat een organisme het vermogen verliest om zijn lichaam zelf te reguleren. Negatieve feedback mechanismen komen vaker voor in homeostase, maar positieve feedback loops zijn ook belangrijk. Veranderingen in feedbacklussen kunnen leiden tot verschillende problemen, waaronder diabetes mellitus.

Figuur 7: in een normale glucosecyclus zullen door de alvleesklier gedetecteerde stijgingen van de bloedglucosespiegels ertoe leiden dat de bètacellen van de alvleesklier insuline afscheiden totdat normale bloedglucosespiegels zijn bereikt. Terwijl als de lage niveaus van de bloedglucose worden ontdekt, zullen de alfacellen van de alvleesklier glucagon vrijgeven om de niveaus van de bloedglucose normaal te verhogen.

bij type 1 diabetes werken bètacellen niet. Dit betekent dat wanneer de bloedglucoseniveaus stijgen, de insulineproductie niet wordt geactiveerd, en dus de bloedglucoseniveaus blijven stijgen. Dit kan leiden tot symptomen zoals wazig zien, gewichtsverlies, hyperventilatie, misselijkheid en braken, onder anderen. Bij type 2 diabetes zijn chronische hoge bloedglucosespiegels opgetreden als gevolg van een slecht dieet en gebrek aan lichaamsbeweging. Dit resulteert in cellen die insuline niet meer herkennen, en zo blijven de bloedglucosespiegels stijgen.

positieve en negatieve feedbackloops inpakken

feedbackloops zijn biologische mechanismen waarbij de homeostase wordt gehandhaafd. Dit gebeurt wanneer het product of de output van een gebeurtenis of reactie de reactie van het organisme op die reactie verandert. Positieve feedback doet zich voor om de verandering of output te verhogen: het resultaat van een reactie wordt versterkt om het sneller te laten gebeuren. Negatieve feedback doet zich voor om de verandering of output te verminderen: het resultaat van een reactie wordt verminderd om het systeem terug te brengen naar een stabiele toestand. Enkele voorbeelden van positieve feedback zijn contracties bij de geboorte van een kind en het rijpen van fruit; negatieve feedback voorbeelden zijn de regulering van de bloedsuikerspiegel en osmoregulatie.

op zoek naar Biologie?

Kickstart je Biologie prep met Albert. Start uw AP ® exam prep vandaag nog.