Θετικό vs. Μηχανισμοί Αρνητικής Ανάδρασης
Οι μηχανισμοί θετικής και αρνητικής ανάδρασης αναφέρονται σε οποιαδήποτε διαδικασία που ρυθμίζει την τιμή μιας μεταβλητής έναντι μιας άλλης μεταβλητής, αυξάνοντας ή μειώνοντας έτσι την αλλαγή στην τιμή της αρχικής μεταβλητής. Στη βιολογία, οι μηχανισμοί ανάδρασης σχετίζονται με έναν οργανισμό που διατηρεί ομοιόσταση.
Η ομοιόσταση αναφέρεται στην τάση ενός οργανισμού να ρυθμίζει τις εσωτερικές του διαδικασίες για να επιτύχει μια ορισμένη κατάσταση ισορροπίας. Η ομοιόσταση είναι το αποτέλεσμα πολλών μερών του σώματος που συνεργάζονται για να ρυθμίσουν την αξία ορισμένων βιολογικών μεταβλητών, είτε πρόκειται για περιεκτικότητα σε οξυγόνο, επίπεδα ινσουλίνης ή ζωή ντοπαμίνης. Η διαφορά μεταξύ θετικών και αρνητικών μηχανισμών ανάδρασης σχετίζεται με την κατεύθυνση ρύθμισης μιας μεταβλητής.
Οι βρόχοι θετικής ανάδρασης μεγεθύνουν την αλλαγή στη μεταβλητή ενώ οι βρόχοι αρνητικής ανάδρασης ελαχιστοποιούν την αλλαγή στη μεταβλητή.
Ένα παράδειγμα μηχανισμού θετικής ανάδρασης στους ανθρώπους είναι η παραγωγή ωκυτοκίνης κατά τον τοκετό. Οι συσπάσεις κατά τον τοκετό έχουν ως αποτέλεσμα την παραγωγή ωκυτοκίνης. Η παρουσία αυξημένων επιπέδων ωκυτοκίνης διεγείρει περισσότερες συσπάσεις, κάτι που δημιουργεί περισσότερη ωκυτοκίνη, η οποία προκαλεί περισσότερες συσπάσεις κ.λπ. Ένα παράδειγμα μηχανισμού αρνητικής ανάδρασης είναι η ρύθμιση του σακχάρου στο αίμα. Τα υψηλά επίπεδα γλυκόζης στο αίμα γίνονται αισθητά από τους υποδοχείς του σώματος. Ως απόκριση, το πάγκρεας παράγει περισσότερη ινσουλίνη έως ότου τα επίπεδα γλυκόζης πέσουν στο φυσιολογικό. Οι μηχανισμοί θετικής και αρνητικής ανάδρασης στη βιολογία αποτελούν έτσι την ακριβή πράξη εξισορρόπησης που απαιτείται για τους ζωντανούς οργανισμούς να επιτύχουν ομοιόσταση.
Σκίτσο μηχανισμού ανάδρασης
Οποιαδήποτε διαδικασία ανάδρασης, θετική ή αρνητική, μπορεί να αναπαρασταθεί ως έχουσα 5 κύρια στοιχεία:ερέθισμα, υποδοχέας, είσοδος, έξοδος και απόκριση. Το ερέθισμα είναι αυτό που παράγει μια αλλαγή στη μεταβλητή που πρέπει να ρυθμιστεί. Ο υποδοχέας αναφέρεται σε οποιαδήποτε οντότητα ανιχνεύει την αρχική αλλαγή στη μεταβλητή. Η είσοδος αναφέρεται στις πληροφορίες που ταξιδεύουν από τον αισθητήρα στο κέντρο ελέγχου (π.χ. τον εγκέφαλο) το οποίο καθορίζει την κατάλληλη απόκριση. Η έξοδος είναι το σήμα που στέλνει το κέντρο ελέγχου στο σύστημα. Τέλος, η απόκριση είναι η ενέργεια του συστήματος που ρυθμίζει την αρχική μεταβλητή.
Οποιοσδήποτε μηχανισμός ανάδρασης μπορεί να αναπαρασταθεί ως αποτελούμενος από αυτά τα 5 κύρια στοιχεία. Η διαφορά μεταξύ ενός βρόχου θετικής και αρνητικής ανάδρασης έγκειται στην επίδραση που έχει η απόκριση στη μεταβλητή που πρόκειται να ρυθμιστεί. Οι βρόχοι θετικής ανάδρασης οδηγούν σε αύξηση της αλλαγής της μεταβλητής ενώ οι αρνητικοί βρόχοι οδηγούν σε μείωση της αλλαγής της μεταβλητής.
Ακολουθεί ένα πολύ απλό παράδειγμα βρόχου θετικής ανάδρασης:Κρατήστε ένα ζωντανό μικρόφωνο μέχρι ένα ηχείο. Ο υψηλός ήχος θρήνου είναι το αποτέλεσμα του μικροφώνου που συλλαμβάνει τον θόρυβο του περιβάλλοντος στο περιβάλλον, μεταδίδει αυτόν τον ήχο που πρόκειται να αναπαραχθεί από το ηχείο, τον οποίο λαμβάνει το μικρόφωνο, το οποίο παράγει περισσότερο ήχο από το ηχείο κ.λπ. Ο βρόχος ενισχύει το αρχικό ηχητικό σήμα για να παράγει τον δυνατό ήχο θρήνου με τον οποίο γνωρίζει όποιος έχει χρησιμοποιήσει μικρόφωνο. Για έναν βρόχο αρνητικής ανάδρασης, ένα απλό παράδειγμα είναι ο θερμοστάτης του σπιτιού σας. Οι θερμοστάτες ανιχνεύουν τον αέρα του περιβάλλοντος και θα ενεργοποιηθούν ή θα απενεργοποιηθούν για να διατηρήσουν το εσωτερικό του σπιτιού σε σταθερή θερμοκρασία. Αυτός ο μηχανισμός ανάδρασης προσπαθεί να ελαχιστοποιήσει την αλλαγή στη ρυθμιζόμενη μεταβλητή, όπως και ένας μηχανισμός αρνητικής ανάδρασης.
Μηχανισμοί βιολογικής ανάδρασης
Κάθε ζωντανός οργανισμός βασίζεται στη διατήρηση ορισμένων βιολογικών μεταβλητών σε ορισμένες τιμές. Η τάση ενός οργανισμού να ρυθμίζει τις βιολογικές του μεταβλητές για να φτάσει σε κατάσταση ισορροπίας ονομάζεται ομοιόσταση. Οι οργανισμοί χρησιμοποιούν μηχανισμούς ανάδρασης για να διατηρήσουν την ομοιόσταση. Δεδομένου ότι οι περισσότερες βιολογικές διεργασίες βασίζονται στην ελαχιστοποίηση της αλλαγής μιας μεταβλητής για να τη διατηρήσουν εντός ενός συγκεκριμένου εύρους, οι περισσότεροι μηχανισμοί ανάδρασης που βρίσκονται στα ζωντανά πλάσματα είναι αρνητικοί.
Ωστόσο, υπάρχουν μερικά παραδείγματα βρόχων θετικής ανάδρασης σε οργανισμούς, ένα παράδειγμα είναι τα φαινόμενα ωρίμανσης των καρπών στα δέντρα. Μερικά δέντρα που παράγουν φρούτα έχουν την τάση να ωριμάζουν όλους τους καρπούς τους ταυτόχρονα, συνήθως χωρίς μεγάλη οπτική εμφάνιση. Οι μηλιές μπορούν να γίνουν από άγουρες σε εντελώς ώριμες σε φαινομενικά μια νύχτα. Μόλις ωριμάσει ο πρώτος καρπός, εκκρίνει μια χημική ουσία που ονομάζεται αιθυλένιο μέσω της φλούδας του, η οποία προκαλεί την ωρίμανση των γύρω καρπών. Αυτοί οι καρποί στη συνέχεια παράγουν περισσότερο αιθυλένιο, κάνοντας την ωρίμανση να εξαπλώνεται στο δέντρο σχεδόν σαν ένα κύμα που κυματίζει από τον αρχικό ώριμο καρπό. Αυτός ο μηχανισμός θετικής ανάδρασης αξιοποιείται στην παραγωγή φρούτων, όπου οι καλλιέργειες υποβάλλονται σε επεξεργασία με αιθυλένιο για να ωριμάσουν πιο γρήγορα τα φρούτα.
Ένα άλλο παράδειγμα μηχανισμού θετικής ανάδρασης είναι η πήξη του ανθρώπινου αίματος. Ο τραυματισμός του ιστού απελευθερώνει μια χημική ουσία που διεγείρει την παραγωγή αιμοπεταλίων. Τα αιμοπετάλια απελευθερώνουν περισσότερη χημική ουσία, η οποία παράγει περισσότερα αιμοπετάλια και ούτω καθεξής μέχρι να πήξει το αίμα. Ορισμένες ποικιλίες διαταραχών πήξης του αίματος προκύπτουν από μια δυσλειτουργία σε αυτόν τον βρόχο θετικής ανάδρασης.
Οι βρόχοι αρνητικής ανάδρασης, αντίθετα, είναι πιο συνηθισμένοι σε ζωντανούς οργανισμούς. Ένα παράδειγμα αρνητικής ανάδρασης στους ανθρώπους είναι η ρύθμιση της θερμοκρασίας. Οι άνθρωποι είναι ενδόθερμοι, που σημαίνει ότι ρυθμίζουν τη θερμοκρασία του σώματός τους μέσω εσωτερικών διεργασιών. Η κανονική θερμοκρασία του ανθρώπινου σώματος βρίσκεται περίπου στους 98,6°F. Όταν το σώμα ζεσταίνεται πολύ, παράγεται ιδρώτας και τα αιμοφόρα αγγεία θα διαστέλλονται για να εκπέμπουν την υπερβολική θερμότητα. Αντίθετα, όταν το σώμα κρυώνει πολύ, τα αιμοφόρα αγγεία θα συστέλλονται για να αποτρέψουν τη θερμότητα από το να ακτινοβοληθεί μακριά.
Ένα ακόμη παράδειγμα αρνητικής ανάδρασης σε ζωντανούς οργανισμούς είναι η ρύθμιση της αρτηριακής πίεσης. Η αρτηριακή πίεση πρέπει να είναι αρκετά υψηλή για να αντλεί αίμα όχι τόσο υψηλή ώστε να βλάπτει τα αιμοφόρα αγγεία. Οι βαροϋποδοχείς (κύτταρα που ανιχνεύουν την πίεση) παρακολουθούν τα επίπεδα της αρτηριακής πίεσης για να τα κρατούν υπό έλεγχο. Εάν η αρτηριακή πίεση είναι πολύ υψηλή, χημικές ουσίες αποστέλλονται στον εγκέφαλο, οι οποίες με τη σειρά τους επιβραδύνουν τον καρδιακό ρυθμό και επεκτείνουν τα αιμοφόρα αγγεία. Εάν η αρτηριακή πίεση είναι πολύ χαμηλή, ο εγκέφαλος θα αυξήσει τον καρδιακό ρυθμό και θα συσπάσει τα αιμοφόρα αγγεία. Η αλληλεπίδραση αυτών των μηχανισμών είναι που επιτρέπει στους ανθρώπους να διατηρήσουν μια σταθερή αρτηριακή πίεση.
Συνοψίζοντας, οι μηχανισμοί θετικής και αρνητικής ανάδρασης είναι μηχανισμοί που ρυθμίζουν την αλλαγή στην τιμή μιας μεταβλητής έναντι μιας άλλης μεταβλητής. Οι μηχανισμοί θετικής ανάδρασης οδηγούν σε αύξηση της αλλαγής της μεταβλητής και οι μηχανισμοί αρνητικής ανάδρασης οδηγούν σε μείωση της αλλαγής μιας μεταβλητής. Στους ζωντανούς οργανισμούς, οι μηχανισμοί θετικής και αρνητικής ανάδρασης επιτρέπουν σε έναν οργανισμό να ρυθμίζει το εσωτερικό του περιβάλλον και να επιτυγχάνει ομοιόσταση.
