هومئوستازی چیست؟ — تعریف، اجزا و مکانیسم ها

هموستازی یا «هومئوستازی» (Homeostasis) تمام فرایندهای تنظیمی هستند که در یک سیستم زنده که تمایل به ثبات ماده و انرژی و رشد و تکثیر دارد انجام می‌شوند. اگر این فرایند به درستی انجام بگیرد، حیات ارگانیسم ادامه می‌یابد و در غیر این صورت مرگ حتمی خواهد بود. ثبات به دست آمده در واقع یک تعادل پویا است، که در آن تغییرات مداومی رخ می دهند اما به طور کلی شرایط و ثبات نسبتاً یکنواختی وجود دارد. در ادامه این مطلب هومئوستازی، سیستم هومئوستاتیک بدن و شرایط حفظ و پایداری آن را توضیح خواهیم داد.

هومئوستازی چیست؟

هر سیستم زنده‌ای پویایی دارد تا به یک وضعیت با ثبات و تعادل برسد و در مقابل تغییرات محیطی بتواند تمامیت خود را حفظ کند. وقتی که تعادل چنینی سیستمی به هم بریزد، سیستم به دنبال به دست آوردن یک تعادل جدید برای سازگاری با تغییرات جدید خواهد بود. تغییرات محیطی از طریق یک سیستم کنترلی به سیستم مرکزی منتقل می‌شوند و واکنش ایجاد می‌کنند. تغییرات تهدید کننده هومئوستازی می‌توانند شامل هر نوع اختلال در شرایط محیطی یا نقص در عملکرد طبیعی هورمون‌ها، سیستم عصبی یا الکترولیت‌های خون باشند.

فیلم آموزش مقدماتی فیزیولوژی Physiology در فرادرس

کلیک کنید

یک مثال از تنظیم هومئوستازی

رایج‌ترین مثال در این مورد، هومئوستازی یک سیستم مکانیکی است که با تنظیم دمای اتاق عمل می‌کند. ترموستات یک نوار فلزی است که با تکمیل یا ایجاد اختلال در یک مدار الکتریکی، به تغییرات دمایی پاسخ می دهد. با خنک شدن اتاق، مدار کامل می‌شود و با به راه افتادن دستگاه دما افزایش می‌‌یابد. در درجه حرارت خاصی که از قبل طراحی شده است، مدار قطع می‌شود و دما پایین می‌آید. این فقط یک مثال ساده است و در سیستم‌های بیولوژیک تنظیم‌کننده‌های بسیار زیاد، متنوع و پیچیده‌تری جهت حفظ تعادل بدن موجود زنده فعالیت می‌کنند. اگرچه هر دوی این سیستم‌ها هدف مشترکی دارند، چه تنظیم دمای اتاق چه تنظیم فشار خون.

هومئوستازی اکولوژیک

مفهوم هومئوستازی در اکولوژی نیز اولین بار توسط یک پژوهشگر کانادایی به نام «رابرت مک آرتور» (Robert MacArthur) در سال ۱۹۵۵ استفاده شد. هومئوستازی در اکوسیستم‌ها حاصل ترکیبی از تنوع زیستی و میان‌کنش‌های زیستی فراوانی است که بین گونه‌های مختلف جانداران رخ می‌دهند. هومئوستازی در واقع چگونگی حفظ وضعیت پایدار اکوسیستم را توضیح می‌دهد. از آن زمان به بعد، تعریف این اصطلاح برای بخش غیر زنده اکوسیستم تغییر یافته است.

بسیاری از اکولوژیست‌ها نیز از این واژه برای توصیف ارتباط بین بخش زنده و غیر زنده یک زیست‌بوم استفاده می‌کنند. «فرضیه گایا» (Gaia Hypothesis)، که بر اساس آن تمام بخش‌های مرده و زنده در زمین، به عنوان اجزای یک سیستم بزرگ‌تر یا یک موجود زنده محسوب می‌شوند. طبق این مدل، تلاش تمام ارگانیسم‌ها برای ایجاد یک هومئوستازی و وضعیت پایدار در کل سیاره زمین است. از نظر تئوری گیا، هر موجود زنده تأثیر دوگانه بر هومئوستازی دارد چون ارگانیسم در سطحی از زندگی خود، به جای پیشبرد بقای شخصی، در جهت حفظ تعادل کلیِ «زیست‌کُره» (Biosphere) عمل می‌کند.

هومئوستازی در زیست شناسی چیست؟

در زیست‌شناسی، هومئوستازی حفظ وضعیت پایدار داخلی، فیزیکی و شیمیایی ارگانیسم زنده است.

انواع سیستم های هومئوستازی در بدن

بدن در سطوح مختلفی جهت حفظ تعادل و هومئوستازی عمل می‌کند که برخی از آن‌ها عبارتند از تنظیم و کنترل موارد زیر:

• فشار خون
• دمای بدن
• ترشح هومورن‌ها
• قند خون
• میزان متابولیسم (سوخت و ساز)
• تنفس
• الکترولیت‌ها
• آب بدن
• مایع خارج سلولی
• pH

سیستم های کنترل هومئوستازی در بدن

در بدن هر ارگانیسم، مجموعه پیچیده‌ای از هماهنگی برای حفظ ثبات در بدن ضروری است. برخی از این سیستم‌ها که گاه به تنهایی و اغلب در تعامل با یکدیگر بدن را به حالت پایدار خود می‌رسانند عبارتند از:

• سیستم رنین - آنژیوتانسین
• غدد اندوکرین
• سیستم عصبی مرکزی شامل مغز و نخاع
• هیپوتالاموس
• هیپوفیز
• تالاموس
• سیستم دفع ادرار
• سیستم گوارشی
• کبد
• پانکراس یا لوزالمعده
• غدد لنفاوی
• سیستم ایمنی
• بیان ژن
• گیرنده‌های حسی و حرکتی
• غدد عرق

سیستم فیدبک مثبت و منفی

در هومئوستازی سیستم فیدبک مثبت و منفی اهمیت زیادی دارند و به اجزای مختلف این سیستم اطلاعاتی را از کل بدن منتقل می‌کنند و سیستم‌های کنترل و تنظیم را به راه می‌اندازند.

فیدبک منفی چیست؟

حلقه فیدبک منفی، برای معکوس کردن تغییرات فیزیولوژیک بدن عمل می‌کند. به طور مثال، وقتی سلول‌های پانکراس افزایش قند خون را تشخیص می‌دهند، سلول‌های بتای جزایر لانگرهانس در پانکراس به ترشح انسولین تحریک می‌شوند. انسولین باعث افزایش جذب گلوکز در سلول‌های ماهیچه، سلول‌های چربی و سلول‌های کبدی خواهد شد. فیدبک منفی زمانی آغاز می‌شود که قند خون کاهش پیدا می‌کند. سلول‌های آلفا در پانکراس، مانع از تولید و ترشح انسولین می‌شوند. این سیستم پویا است و در هر لحظه جهت حفظ هومئوستازی بدن عمل می‌کند.

فیدبک مثبت چیست؟

لوپ فیدبک مثبت تغییرات ایجاد شده را افزایش می‌دهد. به طور مثال هنگام زایمان افزایش انقباض دیواره رحم باعث افزایش ترشح هورمون اکسی‌توسین و افزایش بیشتر انقباضات رحمی می‌شود. در واقع گیرنده‌های کششی در بافت سرویکس (دهانه رحم) پیام ترشح اکسی‌توسین را به مغز منتقل می‌کنند. این لوپ ادامه پیدا می‌کند تا با انبساط کافی دیواره سرویکس، در نهایت نوزاد متولد شود.

تنظیم دمای بدن

در پستانداران دمای درونی بدن توسط فعالیت مجموعه‌ای از رسپتورهای گرمایی درد اخل ارگان‌ها تأمین می‌شود که عبارتند از:

• هیپوتالاموس
• طناب نخاعی
• ارگان‌های درون شکمی
• وریدهای بزرگ

به جز تنظیم داخلی دما، فرایندی به نام آلوستاز نیز می تواند در تنظیم رفتار موجود برای مقابله با گرما یا سرمای شدید ( یا سایر تغییرات نامساعد محیطی) کمک کننده باشد. رفتارهایی همچون موارد زیر در این زمینه راه‌گشا هستند:

• کاهش فعالیت
• لرزش ماهیچه‌ها
• رفتن به زیر سایه‌بان

تنظیم دمای بدن انسان

• بیماری‌ها
• هورمون‌ها
• میزان متابولیسم بدن
• سرپوش مناسب

تنظیم دمای بدن در بخشی از مغز به نام هیپوتالاموس انجام می‌شود. فیدبک دمایی بدن از طریق خون به مغز می‌رسد و منجر به تنظیمات جبرانی در نرخ تنفس، سطح قند خون و میزان متابولیسم بدن می‌شود. کاهش دمای بدن انسان، از روش‌های زیر انجام خواهد گرفت:

• کاهش سطح فعالیت
• افزایش تعریق
• افزایش جریان خون زیرپوستی: مکانیسم‌های تبادل گرمایی که منجر به افزایش گردش خون زیرجلدی و در نهایت از دست دادن گرما از طریق پوست می‌شوند.

نیاز بدن به افزایش دما با عملکردهای مثل کاهش جریان خون زیرپوستی و رفتارهایی که منجر به افزایش دما می‌شوند مانند پناه بردن به مکان سربسته، پوشیدن لباس گرم، گرم کردن بدن با ماساژ پوست و استفاده از منبع گرمایی، جبران خواهد شد. سطوح بالا و پایین دما در نهایت به یک تعادل هموستاتیک می‌رسند که ادامه حیات را ممکن می‌سازد. در صورت هر نوع تغییر از وضعیت نرمال و با فیدبک منفی، سیستم به وضعیت نرمال بار خواهد گشت.

فعالیت هورمون ها و هومئوستازی

یکی از علل پیچیدگی اندوکرینولوژی (مطالعه غدد درون‌ریز) این است که بر خلاف دیگر ارگان‌های بدن که به صورت فیزیکی با هم ارتباط و نزدیکی مکانی دارند، اجزای سیستم اندوکرین، مجموعه‌ای جدا از هم هستند و در نقاط مختلف بدن مانند اندام‌های جنسی، ارگان‌های داخلی همچون پانکراس، تیروئید، فوق کلیه و مغز پراکنده شده‌اند و علاوه بر آن اگرچه عملکرد اصلی برخی اندام‌های دیگر مثل معده ترشح هورمون نیست، اما سلول‌های ترشح‌کننده هورمون‌ هم دارند. نه تنها تولید‌کننده‌های هورمونی در بدن پخش شده‌اند بلکه اندام‌های هدف هرکدام از آن‌ها هم در نقاط مختلف بدن منتشر هستند.

فیلم آموزش فیزیولوژی انسان پیشرفته – ویژه فعالیت ورزشی در فرادرس

کلیک کنید

سیستم رنین - آنژیوتانسین

سیستم هورمونی آلدوسترون رنین - آنژیوتانسین (RAAS)، از مجموع فعالیت مغز، ریه‌ها، کلیه‌ها و کبد تشکیل می‌شود و به تنظیم حجم و فشار خون و الکترولیت‌ها کمک می‌کند.

تنظیم فشار خون

مغز از طریق مکانیسم‌هایی مانند انقباض و انبساط دیواره سرخرگ‌ها می‌تواند فشار خون را تنظیم کند. در قوس آئورتی و سینوس کاروتید (در ابتدای سرخرگ کاروتید درونی) گیرنده‌هایی به نام بارورسپتور (Baroreceptor) وجود دارند که با مکانیسم رفلکس بارورسپتوری، فشار خون را کنترل می‌کنند. با افزایش حجم خون، فشار خون هم بالا می‌رود و با کشش دیواره دهلیزها، باعث ترشح هورمون «پپتید ناتریورتیک دهلیزی» (Atrial Natriuretic Peptide) یا ANP، از سلول‌های ماهیچه قلب به خون می‌شود. این هورمون روی کلیه‌ها اثر می‌گذارد و باعث مهار ترشح رنین و آلدوسترون، ترشح سدیم و آب به ادرار و کاهش حجم و در نهایت فشار خون خواهد شد.

سپس این اطلاعات از طریق رشته‌های عصبی آوران، به «هسته انفرادی» (Solitary Nucleus) در بصل النخاع منتقل می‌شوند و در آنجا نورون‌های حرکتی سیستم عصبی خودمختار را به اثرگذاری بر قلب و سرخرگ‌های کوچک (آرتریول‌ها) تحریک می‌کنند. آرتریول‌ها مقاوم‌ترین عروق در شبکه سرخرگی هستند و تغییرات اندک در شعاع آن‌ها منجر به تغییرات بزرگی در جریان خون خواهد شد. وقت فشار خون سرخرگی افزایش پیدا می‌کند، دیواره آرتریول‌ها منبسط و به این ترتیب خروج خون از سرخرگ‌ها تسهیل می‌شود و فشار خون پایین می‌آید. همزمان با این وقایع، اعصاب پاراسمپاتیک کولینرژیک، سبب کاهش ضربان قلب می‌شوند تا جریان خون به سرخرگ‌ها و در نتیجه فشار خون سرخرگی کاهش یابد. واکنش بدن به کاهش فشار خون برعکس است و سبب انقباض آرتریول‌ها، افزایش ضربان قلب (تاکی‌کاردی)، تحریک آدرنال توسط بصل‌النخاع و ترشح اپی‌نفرین به خون می‌شود.

تنظیم آب و الکترولیت های بدن

یون‌های موجود در خون و مایع خارج سلولی و مایع سلولی مانند پتاسیم، کلسیم و سدیم برای عملکرد صحیح سلول‌ها و خصوصا بافت ماهیچه‌ای ضرورت دارد. به طور مثال نحوه تنظیم سدیم در مایعات بدن را توضیح می‌دهیم. وقتی که حجم مایعات خون کم می‌شود، غلظت یون‌هایی مانند سدیم در خون و در نتیجه اسمولاریته آن بیشتر خواهد شد. هیپوتالاموس یکی از ارگان‌هایی است که دارای «رسپتورهای اسمولاریته» (Osmoreceptor) است که به فشار اسمزی خون پاسخ می‌دهد و بر فعالیت غده هیپوفیز اثر می‌گذارد. هیپوفیز در پاسخ به هیپوتالاموس، هورمون ضد ادراری (ADH) یا وازوپرسین را ترشح می‌کند که با اثر بر کلیه‌ها باعث بازجذب آب به درون عروق و افزایش حجم مایع در خون می‌شود.

فیلم آموزش بیوشیمی پزشکی ۱ در فرادرس

کلیک کنید

با افزایش غلظت سدیم در خون منجر به افزایش ترشح هورمون آلدوسترون در غدد فوق کلیه و در نهایت بازجذب سدیم از نفرون‌های دیستال کلیه، خواهد شد. پس از ایجاد غلظت نرمال از سدیم، آب کافی نیز از کلیه‌ها بازجذب می‌شود تا حجم و اسمولاریته خون به مقدار نرمال خود برسند. تشخیص انبساط عروق قلب توسط گیرنده‌های حسی، بازگشت بیش از حد مایع خارج سلولی را نشان می‌دهد که منجر به توقف ترشح ADH و ترشح آب از طریق فیلتراسیون کلیوی می‌شود. شریان‌های آئورت و کاروتید، گیرنده‌هایی دارند که به کاهش فشار خون (در بطن چپ) حساس هستند.

سیستم کنترل قند خون

در پستانداران حس‌گرهای اولیه قند خون سلول‌های بتای پانکراس هستند که در جزایر لانگرهانس قرار دارند. این سلول‌ها با ترشح انسولین به افزایش گلوکز خون واکنش نشان می‌دهند و هم‌زمان ترشح گلوکاگون از سلول‌های آلفای پانکراس را مهار می‌کنند. گلوکاگون هورمونی است که باعث تجزیه گلیکوژن در سلول و رهاسازی گلوکز به خون می‌شود. افزایش انسولین و کاهش گلوکاگون در خون، نهایتا با اثر بر بافت‌های مختلف و به خصوص سلول‌های کبد، چربی و ماهیچه‌ای، میزان قند آزاد خون را تنظیم می‌کنند. انسولین در سلول‌های کبدی موجب تولید گلیکوژن و تری‌گلیسیرید از گلوکز می‌شود. گلیکوژن در بافت کبدی ذخیره می‌شود اما تری‌گلیسیریدها به صورت VLDL به خون ترشح و در سلول‌های چربی ذخیره خواهند شد. بافت آدیپوز (بافت چربی) نیز گلوکز دریافتی را به صورت تری‌گلیسیرید و گلیکوژن در خود ذخیره می‌کند.

برعکس این شرایط، زمانی که بدن با افت قند خون مواجه است، ترشح انسولین از سلول‌های بتا متوقف و ترشح گلوکان از سلول‌های آلفا در پانکراس زیاد می‌شوند. این تغییرات باعث کاهش ورود گلوکز به درون سلول‌ها می‌شود و از طرف دیگر سبب تجزیه گلیکوژن موجود کبد به گلوکز و رهاسازی آن‌ در خون خواهد شد. به این ترتیب قند خون افزایش پیدا می‌کند. در صورتی که ذخایر گلیکوژنی در بدن کم باشد، گلوکز طی فرایندی به نام «گلوکونئوژنز» (Gluconeogenesis) از منابع غیر کربوهیدراتی مانند لاکتات و آمینواسیدها تولید می‌شود. گلیکوژن سلول‌های ماهیچه‌ای فقط در هنگام فعالیت بدنی و ورزش تجزیه می‌شود.

تنظیم گازها در خون

تغییر در میزان گازهای اکسیژن و کربن‌دی‌اکسید و pH در خون، پیامی را به ساقه مغزی ارسال می‌کند که باعث تنظیم آن‌ها می‌شود. رسپتورهای شیمیایی محیطی در دیواره عروق کاروتید و آئورت، میزان گازهای خون را کنترل می‌کنند. تغییر در فشار کربن‌دی‌اکسید به صورت تغییر pH در مایع مغزی نخاعی تشخیص داده می‌شود. پیام منتقل شده به این ارگان‌ها منجر به انتقال پیام عصبی از مغز به سیستم تنفسی شامل ریه و دیافراگم و عضلات شکمی می‌شود تا با کنترل حجم و تعداد تنفس میزان این گازها در خون به تعادل برسد. افزایش سطح دی‌اکسید‌کربن یا کاهش اکسیژن در خون، منجر به افزایش عمق تنفس و نرخ تنفس می‌شوند. در شرایط برعکس، تنفس منقطع و کوتاه خواهد شد. عدم هماهنگی pH، دی‌اکسیدکربن و اکسیژن خون می‌تواند به یکی از علل زیر باشد:

• شوک
• خونریزی
• نارسایی قلبی
• مشکلات ریوی
• اوردوز دارویی
• نارسایی کلیوی
• دیابت کنترل نشده
• مسمومیت شیمیایی
• بیماری‌های متابولیک
• آسیب به سر یا گردن که تنفس را تحت تأثیر قرار داده باشد.

تنظیم اکسیژن خون

کلیه‌ها به جای فشار نسبی اکسیژن در خون سرخرگی، میزان اکسیژن خون را اندازه‌گیری می‌کنند. وقتی مقدار اکسیژن بسیار پایین باشد، سلول‌های حساس به اکسیژن، هورمون «اریتروپویتین» (Erythropoietin) یا EPO را ترشح می‌کنند که روی مغز قرمز استخوان و تولید گلبول قرمز اثر می‌گذارد. افزایش تولید اریتروسیت‌ها (گلبول‌های قرمز) باعث بالا رفتن هماتوکریت در خون و در نهایت افزایش هموگلوبین می‌شود که حامل اکسیژن در خون است. به این ترتیب ظرفیت حمل اکسیژن در خون بالا می‌رود. افرادی که در مناطقی با ارتفاع بالا زندگی می‌کنند، به دلیل وجود این مکانیسم، هماتوکریت بالاتری دارند.

به جز فشار اکسیژن در خون، مقدار اکسیژنی که در خون حمل می‌شود نیز به مقدار هموگلوبین بستگی دارد. در برخی بیماری‌ها مانند آنمی (کم خونی)، ممکن است میزان هموگلوبین کافی و طبیعی اما قدرت حمل و انتقال اکسیژن پایین باشد. از دلایل این مشکل می‌توان به پایین بودن آهن خون، فولیک اسید یا ویتامین B12 اشاره کرد.

تنظیم pH خون

pH خون با تغییرات زیر دچار دگرگونی می‌شود:

• تنفس
• تغییرات جزئی دی‌اکسید‌کربن
• تغییرات متابولیکی در نسبت اسیدکربنیک به یون بیکربنات

سیستم بافری بیکربنات، نسبت کربنیک اسید به بیکربنات را در حدود ۱ به ۲۰ حفظ می‌کند که باعث ایجاد pH ۷/۴ در خون می‌شود. تغییر pH سبب به هم خوردن تعادل اسید و باز خون خواهد شد. در هومئوستازی اسید و باز خون دو مکانیسم برای حفظ و کنترل pH طبیعی خون وجود دارند. در سیستم تنفسی مرکزی، با افزایش یا کاهش تنفس، فشار نسبی دی‌اکسیدکربن تنظیم‌ می‌شود. فشار جزئی دی‌اکسیدکربن نیز غلظت اسید‌کربنیک را تعیین می‌کند و سیستم بافر بی‌کربنات نیز می‌تواند وارد عمل شود. عملکرد جبرانی کلیه هم می‌تواند به سیستم بافر بی‌کربنات کمک کند. هنوز حسگرهای پلاسمایی بی‌کربنات، به خوبی شناخته نشده‌اند.