sprzężenie zwrotne jest definiowane jako informacja uzyskana o reakcji na produkt, która pozwoli na modyfikację produktu. Pętle sprzężenia zwrotnego są więc procesem, w którym zmiana systemu powoduje alarm, który wywoła określony wynik. Wynik ten zwiększy zmianę w systemie lub zmniejszy ją, aby przywrócić system do normy. Pozostaje kilka pytań: jak działają te systemy? Co to jest pozytywne opinie? Co to jest negatywna opinia? Gdzie znajdziemy te systemy w przyrodzie?

systemy biologiczne działają na mechanizmie wejść i wyjść, z których każdy jest spowodowany i wywołany określonym zdarzeniem. Pętla sprzężenia zwrotnego jest zjawiskiem biologicznym, w którym wyjście układu wzmacnia układ (dodatnie sprzężenie zwrotne) lub hamuje układ (ujemne sprzężenie zwrotne). Pętle sprzężenia zwrotnego są ważne, ponieważ umożliwiają organizmom żywym utrzymanie homeostazy. Homeostaza jest mechanizmem, który pozwala nam utrzymywać nasze wewnętrzne środowisko w względnie stałym stanie-nie za gorąco, nie za zimno, nie za Głodowo czy zmęczeni. Poziom energii potrzebnej organizmowi do utrzymania homeostazy zależy od rodzaju organizmu, a także środowiska, w którym zamieszkuje. Na przykład zimnokrwista ryba utrzymuje temperaturę na tym samym poziomie, co woda wokół niej, a więc nie musi kontrolować temperatury wewnętrznej. Porównaj to z wielorybem ciepłokrwistym w tym samym środowisku: musi utrzymywać temperaturę ciała wyższą niż temperatura wody wokół niego, a więc zużywa więcej energii na regulację temperatury. Jest to różnica między ektotermią a endotermią: ektotherm wykorzystuje temperaturę otoczenia do kontroli temperatury wewnętrznej (np. gady, płazy i ryby), podczas gdy endotherm wykorzystuje homeostazę do utrzymania temperatury wewnętrznej. Endotermy mogą utrzymywać swój metabolizm w stałym tempie, umożliwiając stały ruch, reakcję i procesy wewnętrzne, podczas gdy ektotermy nie mogą utrzymać swojego metabolizmu w stałym tempie. Oznacza to, że ich ruch, reakcja i procesy wewnętrzne są zależne od odpowiedniego ciepła zewnętrznego, ale oznacza to również, że wymagają mniej energii w postaci pożywienia, ponieważ ich ciała nie są stale spalające paliwo.

pętle Sprzężenia Zwrotnego mogą również występować w większym stopniu: na poziomie ekosystemu utrzymuje się forma homeostazy. Dobrym tego przykładem jest cykl populacji drapieżników i ofiar: boom populacji ofiar będzie oznaczać więcej pożywienia dla drapieżników, co zwiększy ich liczebność. Spowoduje to nadmierne drapieżnictwo, a populacja ofiar ponownie spadnie. Populacja drapieżników zmniejsza się w odpowiedzi, uwalniając presję na populację ofiary i pozwalając jej się odbić. Patrz rysunek 1. Innym przykładem jest tak zwany” ewolucyjny wyścig zbrojeń”, w którym drapieżnik i jego ofiara nieustannie próbują konkurować ze sobą. Jednym z takich związków jest związek ptaków nektarożernych z kwiatami, którymi się żywią. Ptaki rozwijają długie dzioby, aby uzyskać dostęp do nektaru wewnątrz kwiatu. W odpowiedzi kwiat rozwija coraz dłuższy kształt trąbki, próbując zapobiec przedostawaniu się ptaka do nektaru. Ptak reaguje rozwijając jeszcze dłuższy dziób. I tak to trwa.

źródło obrazu: Wikimedia Commons

Rysunek 1: trendy populacji drapieżników i ofiar.

pętle dodatniego sprzężenia zwrotnego

pętla dodatniego sprzężenia zwrotnego występuje w przyrodzie, gdy produkt reakcji prowadzi do wzrostu tej reakcji. Jeśli spojrzymy na system w homeostazie, dodatnia pętla sprzężenia zwrotnego przesunie system dalej od celu równowagi. Robi to wzmacniając efekty produktu lub zdarzenia i występuje, gdy coś musi się szybko wydarzyć.

przykład 1: dojrzewanie owoców

w naturze występuje zaskakujący efekt, w którym drzewo lub krzew nagle dojrzewa wszystkie swoje owoce lub warzywa, bez widocznego sygnału. To nasz pierwszy przykład pozytywnego biologicznego sprzężenia zwrotnego. Jeśli spojrzymy na jabłonie, z wieloma jabłkami, z pozoru z dnia na dzień wszystkie z nich przechodzą z niedojrzałych do dojrzałych do przejrzałych. Rozpocznie się to od dojrzenia pierwszego jabłka. Po dojrzeniu wydziela przez skórę Gaz znany jako etylen (C2H4). Po wystawieniu na działanie tego gazu, jabłka w jego pobliżu również dojrzewają. Gdy dojrzeją, również produkują etylen, który nadal dojrzewa resztę drzewa w efekcie podobnym do fali. Ta pętla sprzężenia zwrotnego jest często stosowana w produkcji owoców, a jabłka są narażone na wytworzony Gaz etylen, aby szybciej dojrzewały.

Rysunek 2: proces dojrzewania jabłek jest pętlą pozytywnego sprzężenia zwrotnego.

przykład 2: poród

Kiedy zaczyna się poród, głowa dziecka jest popychana w dół, co powoduje zwiększony nacisk na szyjkę macicy. Stymuluje to komórki receptora do wysyłania sygnału chemicznego do mózgu, umożliwiając uwalnianie oksytocyny. Ta oksytocyna dyfunduje do szyjki macicy przez krew, gdzie stymuluje dalsze skurcze. Skurcze te stymulują dalsze uwalnianie oksytocyny aż do narodzin dziecka.

Rysunek 3: skurcze występujące podczas porodu powstają w wyniku pozytywnego sprzężenia zwrotnego.

przykład 3: krzepnięcie krwi

gdy tkanka jest rozdarta lub zraniona, uwalniana jest substancja chemiczna. Ta substancja chemiczna powoduje aktywację płytek krwi. Gdy te płytki krwi aktywują, uwalniają substancję chemiczną, która sygnalizuje aktywację większej liczby płytek, aż rana zostanie skrzepnięta.

Rysunek 4: proces krzepnięcia rany jest dodatnim sprzężeniem zwrotnym.

ujemne pętle Sprzężenia Zwrotnego

ujemna pętla sprzężenia zwrotnego występuje w biologii, gdy produkt reakcji prowadzi do jej zmniejszenia. W ten sposób ujemne sprzężenie zwrotne przybliża system do celu stabilności lub homeostazy. Ujemne pętle sprzężenia zwrotnego są odpowiedzialne za stabilizację systemu i zapewniają utrzymanie stabilnego, stabilnego stanu. Reakcja mechanizmu regulacyjnego jest odwrotna do wyjścia zdarzenia.

przykład 1: Regulacja Temperatury

regulacja temperatury u ludzi występuje stale. Normalna temperatura ludzkiego ciała wynosi około 98,6°F. gdy temperatura ciała wzrośnie powyżej tego, dwa mechanizmy kopania w organizmie zaczyna się pocić, a rozszerzenie naczyń krwionośnych występuje, aby umożliwić większą powierzchnię krwi być narażone na chłodniejsze środowisko zewnętrzne. Gdy pot ochładza się, powoduje chłodzenie wyparne, podczas gdy naczynia krwionośne powodują Chłodzenie konwekcyjne. Normalna temperatura jest odzyskiwana. Jeśli te mechanizmy chłodzenia będą kontynuowane, ciało stanie się zimne. Mechanizmy, które następnie kopać są tworzenie gęsią skórkę i zwężenie naczyń krwionośnych. Gęsia skórka u innych ssaków podnosi sierść lub futro, pozwalając na zachowanie większej ilości ciepła. U ludzi dokręcają otaczającą skórę, zmniejszając (nieznacznie) powierzchnię, z której można stracić ciepło. Zwężenie naczyń zapewnia, że tylko niewielka powierzchnia żył jest narażona na chłodniejszą temperaturę zewnętrzną, zatrzymując ciepło. Normalna temperatura jest odzyskiwana.

Rysunek 5: proces regulacji temperatury u ludzi jest ujemnym sprzężeniem zwrotnym.

przykład 2: Regulacja Ciśnienia Krwi (Baroreflex)

ciśnienie krwi musi pozostać na tyle wysokie, aby pompować krew do wszystkich części ciała, ale nie tak wysokie, aby spowodować uszkodzenie podczas tego procesu. Podczas gdy serce pompuje, baroreceptory wykrywają ciśnienie krwi przechodzącej przez tętnice. Jeśli ciśnienie jest zbyt wysokie lub zbyt niskie, sygnał chemiczny jest wysyłany do mózgu przez nerw glossopharyngeal. Mózg następnie wysyła sygnał chemiczny do serca, aby dostosować szybkość pompowania: jeśli ciśnienie krwi jest niskie, tętno wzrasta, a jeśli ciśnienie krwi jest wysokie, tętno maleje.

przykład 3: Osmoregulacja

Osmoregulacja odnosi się do kontroli stężenia różnych cieczy w organizmie, w celu utrzymania homeostazy. Ponownie przyjrzymy się przykładowi ryby żyjącej w oceanie. Stężenie soli w wodzie otaczającej ryby jest znacznie wyższe niż w cieczy u ryb. Woda ta dostaje się do ryb dyfuzyjnie przez skrzela, poprzez spożycie pokarmu i picie. Ponadto, ponieważ stężenie soli jest wyższe Na Zewnątrz niż wewnątrz ryby, występuje bierna dyfuzja soli do ryb i woda z ryb. Stężenie soli jest wtedy zbyt wysokie w rybach, a jony soli muszą być uwalniane przez wydalanie. Dzieje się to przez skórę i w bardzo stężonym moczu. Ponadto wysoki poziom soli we krwi jest usuwany poprzez aktywny transport przez komórki wydzielnicze chlorków w skrzelach. W ten sposób utrzymuje się prawidłowe stężenie soli.

Rysunek 6: proces osmoregulacji u ryb słonowodnych to stała pętla ujemnego sprzężenia zwrotnego.

pozytywne i negatywne sprzężenie zwrotne

kluczową różnicą między pozytywnym i negatywnym sprzężeniem zwrotnym jest ich reakcja na zmianę: pozytywne sprzężenie zwrotne wzmacnia zmianę, podczas gdy negatywne sprzężenie zwrotne zmniejsza zmianę. Oznacza to, że pozytywne sprzężenie zwrotne spowoduje więcej produktu: więcej jabłek, więcej skurczów lub więcej krzepnięcia płytek krwi. Ujemne sprzężenie zwrotne spowoduje mniej produktu: mniej ciepła, mniej ciśnienia lub mniej soli. Pozytywne sprzężenie zwrotne oddala się od punktu docelowego, podczas gdy negatywne sprzężenie zwrotne przesuwa się w kierunku celu.

dlaczego informacja zwrotna jest ważna?

bez sprzężenia zwrotnego homeostaza nie może wystąpić. Oznacza to, że organizm traci zdolność do samoregulacji swojego ciała. Mechanizmy negatywnego sprzężenia zwrotnego są bardziej powszechne w homeostazie, ale ważne są również pozytywne pętle sprzężenia zwrotnego. Zmiany w pętlach sprzężenia zwrotnego mogą prowadzić do różnych problemów, w tym cukrzycy.

rycina 7: w prawidłowym cyklu glukozowym wzrost poziomu glukozy we krwi wykryty przez trzustkę spowoduje wydzielanie insuliny przez komórki beta trzustki do momentu osiągnięcia prawidłowego poziomu glukozy we krwi. Podczas gdy w przypadku wykrycia niskiego poziomu glukozy we krwi, komórki alfa trzustki uwolnią glukagon, aby podnieść poziom glukozy we krwi do normy.

w cukrzycy typu 1 komórki beta nie działają. Oznacza to, że gdy poziom glukozy we krwi wzrasta, produkcja insuliny nie jest wyzwalana, a więc poziom glukozy we krwi nadal wzrasta. Może to prowadzić do takich objawów, jak niewyraźne widzenie, utrata masy ciała, hiperwentylacja, nudności i wymioty, między innymi. W cukrzycy typu 2 przewlekłe wysokie stężenie glukozy we krwi występuje w wyniku złej diety i braku ruchu. Powoduje to, że komórki nie rozpoznają insuliny, a więc poziom glukozy we krwi nadal rośnie.

pętle Sprzężenia Zwrotnego pozytywnego i negatywnego

pętle Sprzężenia Zwrotnego są mechanizmami biologicznymi, w których utrzymuje się homeostazę. Dzieje się tak, gdy produkt lub wyjście zdarzenia lub reakcji zmienia reakcję organizmu na tę reakcję. Dodatnie sprzężenie zwrotne występuje w celu zwiększenia zmiany lub wyjścia: wynik reakcji jest wzmacniany, aby wystąpił szybciej. Ujemne sprzężenie zwrotne występuje w celu zmniejszenia zmiany lub wyjścia: wynik reakcji jest zredukowany, aby przywrócić system do stabilnego stanu. Niektóre przykłady pozytywnych sprzężeń zwrotnych to skurcze w narodzinach dziecka i dojrzewaniu owoców; przykłady negatywnych sprzężeń zwrotnych obejmują regulację poziomu glukozy we krwi i osmoregulację.

szukasz praktyki z biologii?

rozpocznij przygotowanie do biologii z Albertem. Rozpocznij przygotowanie do egzaminu AP® już dziś.