Feedback definieras som den information som erhållits om en reaktion på en produkt, vilket möjliggör modifiering av produkten. Återkopplingsslingor är därför processen där en förändring av systemet resulterar i ett larm som utlöser ett visst resultat. Detta resultat kommer antingen att öka förändringen till systemet eller minska det för att få systemet tillbaka till det normala. Några frågor kvarstår: Hur fungerar dessa system? Vad är en positiv feedback? Vad är negativ feedback? Var hittar vi dessa system i naturen?

biologiska system fungerar på en mekanism av ingångar och utgångar, var och en orsakad av och orsakar en viss händelse. En återkopplingsslinga är en biologisk förekomst där utmatningen från ett system förstärker systemet (positiv feedback) eller hämmar systemet (negativ feedback). Återkopplingsslingor är viktiga eftersom de tillåter levande organismer att upprätthålla homeostas. Homeostas är mekanismen som gör att vi kan hålla vår inre miljö relativt konstant – inte för varm eller för kall, inte för hungrig eller trött. Nivån på energi som en organism behöver för att upprätthålla homeostas beror på vilken typ av organism, liksom den miljö den bor i. Till exempel håller en kallblodig fisk sin temperatur på samma nivå som vattnet runt den, och behöver därför inte kontrollera sin inre temperatur. Jämför detta med en varmblodig val i samma miljö: den måste hålla sin kroppstemperatur högre än vattnet runt den, och så kommer den att förbruka mer energi i temperaturreglering. Detta är en skillnad mellan ektotermer och endotermer: en ectoterm använder miljötemperaturen för att kontrollera sin inre temperatur (t.ex. reptiler, amfibier och fisk), medan en endoterm använder homeostas för att bibehålla sin inre temperatur. Endotermer kan bibehålla sin ämnesomsättning i konstant takt, vilket möjliggör konstant rörelse, reaktion och interna processer, medan ektotermer inte kan upprätthålla sin ämnesomsättning i konstant takt. Detta innebär att deras rörelse, reaktion och interna processer är beroende av tillräcklig yttre värme, men det betyder också att de kräver mindre energi i form av mat, eftersom deras kroppar inte ständigt bränner bränsle.

återkopplingsslingor kan också förekomma i större grad: på ekosystemnivå upprätthålls en form av homeostas. Ett bra exempel på detta är i cykeln av rovdjur och bytespopulationer: en boom i bytespopulationen kommer att innebära mer mat för rovdjur, vilket kommer att öka antalet rovdjur. Detta kommer då att leda till över predation, och bytespopulationen kommer igen att minska. Rovdjurspopulationen kommer att minska som svar, släppa trycket på bytespopulationen och låta den studsa tillbaka. Se figur 1. Ett annat exempel är det som kallas ”evolutionary arms race”, där ett rovdjur och dess byte ständigt försöker konkurrera ut varandra. Ett sådant förhållande är det för nektarivorösa fåglar och blommorna som de matar på. Fåglarna utvecklar långa näbbar för att få tillgång till nektar i blomman. Som svar utvecklar blomman en längre och längre trumpetliknande form, i ett försök att förhindra att fågeln kommer till nektar. Fågeln svarar genom att utveckla en ännu längre näbb. Och så fortsätter det.

bildkälla: Wikimedia Commons

Figur 1: befolkningstrenderna för rovdjur och byte.

positiva återkopplingsslingor

en positiv återkopplingsslinga förekommer i naturen när produkten av en reaktion leder till en ökning av den reaktionen. Om vi tittar på ett system i homeostas flyttar en positiv återkopplingsslinga ett system längre bort från jämviktsmålet. Det gör detta genom att förstärka effekterna av en produkt eller händelse och inträffar när något behöver hända snabbt.

exempel 1: fruktmognad

det finns en överraskande effekt i naturen där ett träd eller buske plötsligt mognar all sin frukt eller grönsaker utan någon synlig signal. Detta är vårt första exempel på en positiv biologisk återkopplingsslinga. Om vi tittar på ett äppelträd, med många äpplen, till synes över natten går de alla från omogna till mogna till övermogna. Detta börjar med det första äpplet som mognar. När den är mogen avger den en gas som kallas eten (C2H4) genom huden. När de utsätts för denna gas mognar äpplen nära den också. När de är mogna producerar de också eten, som fortsätter att mogna resten av trädet i en effekt som liknar en våg. Denna återkopplingsslinga används ofta i fruktproduktion, där äpplen utsätts för Tillverkad etylengas för att få dem att mogna snabbare.

Figur 2: processen med äppelmognad är en positiv återkopplingsslinga.

exempel 2: förlossning

När arbetet börjar skjuts barnets huvud nedåt och resulterar i ökat tryck på livmoderhalsen. Detta stimulerar receptorceller att skicka en kemisk signal till hjärnan, vilket möjliggör frisättning av oxytocin. Detta oxytocin diffunderar till livmoderhalsen via blodet, där det stimulerade ytterligare sammandragningar. Dessa sammandragningar stimulerar ytterligare oxytocinfrisättning tills barnet är födt.

Figur 3: de sammandragningar som upplevs vid förlossning uppstår som ett resultat av en positiv återkopplingsslinga.

exempel 3: blodkoagulering

när vävnad slits eller skadas frigörs en kemikalie. Denna kemikalie får blodplättar i blodet att aktiveras. När dessa blodplättar har aktiverats släpper de en kemikalie som signalerar fler blodplättar att aktivera tills såret är koagulerat.

Figur 4: processen för sårkoagulering är en positiv återkopplingsslinga.

negativa återkopplingsslingor

en negativ återkopplingsslinga förekommer i biologi när produkten av en reaktion leder till en minskning av den reaktionen. På detta sätt ger en negativ återkopplingsslinga ett system närmare ett mål för stabilitet eller homeostas. Negativa återkopplingsslingor är ansvariga för stabiliseringen av ett system och säkerställer upprätthållandet av ett stabilt, stabilt tillstånd. Reglermekanismens svar är motsatt händelsens utgång.

exempel 1: temperaturreglering

temperaturreglering hos människor sker ständigt. Normal människokroppstemperatur är ungefär 98,6 mikron F. när kroppstemperaturen stiger över detta börjar två mekanismer sparka i kroppen att svettas, och vasodilatation sker för att tillåta mer av blodets yta att utsättas för den svalare yttre miljön. När svetten svalnar orsakar den förångningskylning, medan blodkärlen orsakar konvektiv kylning. Normal temperatur återfås. Om dessa kylmekanismer fortsätter blir kroppen kall. De mekanismer som sedan sparkar in är bildandet av gåshud och vasokonstriktion. Goosebumps i andra däggdjur höjer håret eller pälsen, vilket gör att mer värme kan behållas. Hos människor stramar de den omgivande huden och minskar (något) ytan för att förlora värme. Vasokonstriktion säkerställer att endast en liten yta av venerna utsätts för den svalare utetemperaturen och behåller värmen. Normal temperatur återfås.

Figur 5: processen för temperaturreglering hos människor är en negativ återkopplingsslinga.

exempel 2: blodtrycksreglering (Baroreflex)

blodtrycket måste förbli tillräckligt högt för att pumpa blod till alla delar av kroppen, men inte så högt att det orsakar skada medan du gör det. Medan hjärtat pumpar upptäcker baroreceptorer trycket i blodet som går genom artärerna. Om trycket är för högt eller för lågt skickas en kemisk signal till hjärnan via glossopharyngeal nerv. Hjärnan skickar sedan en kemisk signal till hjärtat för att justera pumphastigheten: om blodtrycket är lågt ökar hjärtfrekvensen, medan blodtrycket är högt minskar hjärtfrekvensen.

exempel 3: Osmoregulering

Osmoregulering avser kontrollen av koncentrationen av olika vätskor i kroppen för att upprätthålla homeostas. Vi kommer igen att titta på ett exempel på en fisk, bor i havet. Koncentrationen av salt i vattnet som omger fisken är mycket högre än för vätskan i fisken. Detta vatten kommer in i fiskdiffusionen genom gälarna, genom matkonsumtion och genom att dricka. Eftersom saltkoncentrationen är högre utanför än inuti fisken, finns det passiv diffusion av salt i fisken och vatten ur fisken. Saltkoncentrationen är då för hög i fisken och saltjoner måste frigöras genom utsöndring. Detta sker via huden och i mycket koncentrerad urin. Dessutom avlägsnas höga saltnivåer i blodet via aktiv transport av kloridsekretoriska celler i gälarna. Den korrekta saltkoncentrationen bibehålls således.

Figur 6: processen för osmoregulering i saltvattenfisk är en konstant negativ återkopplingsslinga.

positiv vs. negativ Feedback

den viktigaste skillnaden mellan positiv och negativ feedback är deras svar på förändring: positiv feedback förstärker förändring medan negativ feedback minskar förändring. Detta innebär att positiv feedback kommer att resultera i mer av en produkt: fler äpplen, fler sammandragningar eller fler koaguleringsplättar. Negativ feedback kommer att resultera i mindre av en produkt: mindre värme, mindre tryck eller mindre salt. Positiv feedback rör sig bort från en målpunkt medan negativ feedback rör sig mot ett mål.

Varför är Feedback viktigt?

utan feedback kan homeostas inte uppstå. Detta innebär att en organism förlorar förmågan att självreglera sin kropp. Negativa återkopplingsmekanismer är vanligare vid homeostas, men positiva återkopplingsslingor är också viktiga. Förändringar i återkopplingsslingor kan leda till olika problem, inklusive diabetes mellitus.

Figur 7: i en normal glukoscykel kommer ökningar av blodsockernivåer som detekteras av bukspottkörteln att leda till att betacellerna i bukspottkörteln utsöndrar insulin tills normala blodsockernivåer uppnås. Om låga blodsockernivåer upptäcks kommer alfacellerna i bukspottkörteln att frigöra glukagon för att höja blodsockernivån för att vara normala.

vid typ 1-diabetes fungerar inte betaceller. Detta innebär att när blodsockernivån stiger utlöses inte insulinproduktionen, och så fortsätter blodsockernivån att gå upp. Detta kan leda till symtom som suddig syn, viktminskning, hyperventilation, illamående och kräkningar, bland andra. Vid typ 2-diabetes har kroniska höga blodsockernivåer uppstått som ett resultat av dålig kost och brist på motion. Detta resulterar i att celler inte längre känner igen insulin, och så fortsätter blodsockernivån att stiga.

inslagning av positiva och negativa återkopplingsslingor

återkopplingsslingor är biologiska mekanismer där homeostas upprätthålls. Detta inträffar när produkten eller produktionen av en händelse eller reaktion ändrar organismens svar på den reaktionen. Positiv feedback sker för att öka förändringen eller utgången: resultatet av en reaktion förstärks för att det ska ske snabbare. Negativ feedback sker för att minska förändringen eller utgången: resultatet av en reaktion reduceras för att få systemet tillbaka till ett stabilt tillstånd. Några exempel på positiv feedback är sammandragningar vid födseln och mogning av frukt; negativa återkopplingsexempel inkluderar reglering av blodsockernivåer och osmoregulering.

letar du efter Biologipraxis?

Kickstart din biologi prep med Albert. Starta din AP-provberedning i dag.