Біологія

Зворотній зв'язок визначається як інформація, отримана про реакцію на продукт, яка дозволить модифікувати продукт. Цикли зворотного зв'язку, отже, є процесом, при якому зміна системи призводить до сигналу тривоги, який спричинить певний результат. Цей результат або збільшить зміну системи, або зменшить її, щоб привести систему в норму. Залишається кілька запитань: Як працюють ці системи? Що таке позитивні відгуки? Що таке негативні відгуки? Де ми знаходимо ці системи в природі?

Цикли зворотного зв’язку можуть також виникати більшою мірою: на рівні екосистеми підтримується форма гомеостазу. Хорошим прикладом цього є цикл популяцій хижаків та здобичі: зростання популяції здобичі означатиме більше їжі для хижаків, що збільшить чисельність хижаків. Це призведе до надмірного хижацтва, і популяція здобичі знову зменшиться. Популяція хижаків зменшиться у відповідь, послабивши тиск на популяцію здобичі та дозволивши їй повернутися назад. Див. Малюнок 1. Інший приклад - це така еволюційна гонка озброєнь, коли хижак та його здобич постійно намагаються конкурувати між собою. Однією з таких стосунків є відносини з нектароїдними птахами та квітами, якими вони харчуються. Птахи розвивають довгі дзьоби, щоб отримати доступ до нектару всередині квітки. У відповідь на це квітка розвиває все довшу та довшу форму, схожу на трубу, намагаючись перешкодити птахові дістатися до нектару. Птах реагує, розвиваючи ще довший дзьоб. І так продовжується.

Рисунок 1: Тенденції популяції хижака та здобичі.

Позитивні відгуки

Петля позитивного зворотного зв'язку виникає в природі, коли продукт реакції призводить до посилення цієї реакції. Якщо ми подивимось на систему в гомеостазі, то петля позитивного зворотного зв'язку віддаляє систему далі від мети рівноваги. Він робить це, посилюючи ефекти продукту чи події і виникає тоді, коли щось має відбутися швидко.

Приклад 1: Дозрівання плодів

У природі є дивовижний ефект, коли дерево чи кущ раптово дозріють усі свої фрукти чи овочі, без видимого сигналу. Це наш перший приклад позитивного циклу біологічного зворотного зв’язку. Якщо ми подивимося на яблуню, в якій багато яблук, здається, за одну ніч вони всі переходять від незрілих до стиглих до перезрілих. Це почнеться з першого дозрівання яблука. Після дозрівання через шкіру виділяється газ, відомий як етилен (C2H4). Під впливом цього газу яблука поблизу нього також дозрівають. Після дозрівання вони також виробляють етилен, який продовжує дозрівати решту дерева в ефекті, схожому на хвилю. Цю петлю зворотного зв'язку часто використовують у виробництві фруктів, коли яблука піддаються дії виробленого етиленового газу, щоб вони швидше дозрівали.

Рисунок 2: Процес дозрівання яблук - це позитивний зворотний зв'язок.

Приклад 2: Пологи

Коли починаються пологи, голова дитини відсувається вниз і призводить до посиленого тиску на шийку матки. Це стимулює рецепторні клітини надсилати хімічний сигнал в мозок, дозволяючи виділяти окситоцин. Цей окситоцин дифузується до шийки матки через кров, де стимулює подальші скорочення. Ці скорочення стимулюють подальше вивільнення окситоцину до народження дитини.

Малюнок 3: Сутички, що виникають під час пологів, виникають в результаті позитивного зворотного зв'язку.

Приклад 3: Згущення крові

Коли тканина розривається або травмується, виділяється хімічна речовина. Ця хімічна речовина призводить до активації тромбоцитів у крові. Як тільки ці тромбоцити активуються, вони вивільняють хімічну речовину, яка сигналізує про активацію більшої кількості тромбоцитів, поки рана не згуститься.

Малюнок 4: Процес згортання рани - це петля позитивного зворотного зв'язку.

Цикли негативного зворотного зв'язку

Петля негативного зворотного зв'язку виникає в біології, коли продукт реакції призводить до зменшення цієї реакції. Таким чином, петля негативного зворотного зв'язку наближає систему до цілі стабільності або гомеостазу. Негативні петлі зворотного зв'язку відповідають за стабілізацію системи та забезпечують підтримку стабільного, стабільного стану. Реакція регулюючого механізму протилежна результату події.

Приклад 1: Регулювання температури

Регулювання температури у людини відбувається постійно. Нормальна температура тіла людини становить приблизно 98,6 ° F. Коли температура тіла підвищується вище цього, два механізми, що вдаряються в організм, починають потіти, і відбувається розширення судин, що дозволяє більшій частині поверхні крові піддаватися впливу більш прохолодного зовнішнього середовища. Коли піт охолоджується, він викликає випаровування, тоді як кровоносні судини - конвективне охолодження. Відновлюється нормальна температура. Якщо ці механізми охолодження триватимуть, тіло стане холодним. Механізми, які потім запускаються, - це утворення гусячих лапок і звуження судин. Мурашки у інших ссавців піднімають волосся або шерсть, дозволяючи утримувати більше тепла. У людини вони підтягують навколишню шкіру, зменшуючи (трохи) поверхню, з якої можна втратити тепло. Вазоконстрикція гарантує, що лише невелика поверхня вен піддається впливу більш холодної зовнішньої температури, зберігаючи тепло. Відновлюється нормальна температура.

Малюнок 5: Процес регулювання температури у людини є петлею негативного зворотного зв'язку.

Приклад 2: Регулювання артеріального тиску (Baroreflex)

Артеріальний тиск повинен залишатися достатньо високим, щоб перекачувати кров у всі частини тіла, але не настільки високим, щоб при цьому пошкодити. Поки серце накачує, барорецептори визначають тиск крові, що йде через артерії. Якщо тиск занадто високий або занадто низький, хімічний сигнал надходить до мозку через язиково-глотковий нерв. Потім мозок посилає хімічний сигнал серцю для регулювання швидкості накачування: якщо артеріальний тиск низький, частота серцевих скорочень збільшується, тоді як якщо артеріальний тиск високий, частота серцевих скорочень зменшується.

Приклад 3: Осморегуляція

Осморегуляція відноситься до контролю концентрації різних рідин в організмі для підтримки гомеостазу. Ми знову розглянемо приклад риби, яка живе в океані. Концентрація солі у воді, що оточує рибу, набагато вища, ніж концентрація рідини в рибі. Ця вода потрапляє в дифузію риби через зябра, через споживання їжі та через пиття. Крім того, оскільки концентрація солі назовні вища, ніж усередині риби, відбувається пасивна дифузія солі у рибу та вода поза рибою. Тоді концентрація солі в рибі занадто висока, і іони солі повинні виділятися шляхом виведення. Це відбувається через шкіру та в дуже концентрованій сечі. Крім того, високий рівень солі в крові усувається шляхом активного транспортування секреторними клітинами хлоридів у зябрах. Таким чином підтримується правильна концентрація солі.

Малюнок 6: Процес осморегуляції у морських риб є постійною петлею негативного зворотного зв'язку.

Позитивні та негативні відгуки

Ключова різниця між позитивними та негативними відгуками полягає в їх реакції на зміни: позитивний зворотний зв'язок посилює зміни, тоді як негативний зворотний зв'язок зменшує зміни. Це означає, що позитивні відгуки спричинять більшу кількість продукту: більше яблук, більше сутичок або більше тромбоцитів, що згортаються. Негативні відгуки призведуть до зменшення продукту: менше тепла, менше тиску або менше солі. Позитивні відгуки віддаляються від цільової точки, тоді як негативні зворотний зв'язок рухаються до цільової.

Чому зворотний зв’язок важливий?

Без зворотного зв’язку гомеостаз не може відбутися. Це означає, що організм втрачає здатність саморегулювати своє тіло. Механізми негативного зворотного зв’язку частіше зустрічаються в гомеостазі, але петлі позитивного зворотного зв’язку також важливі. Зміни в циклах зворотного зв'язку можуть призвести до різних проблем, включаючи цукровий діабет.

Малюнок 7: У нормальному циклі глюкози підвищення рівня глюкози в крові, виявлене підшлунковою залозою, призведе до того, що бета-клітини підшлункової залози секретують інсулін, поки не досягнуть нормального рівня глюкози в крові. Тоді як при виявленні низького рівня глюкози в крові альфа-клітини підшлункової залози виділять глюкагон, щоб підвищити рівень глюкози в крові до норми.

При діабеті 1 типу бета-клітини не працюють. Це означає, що коли рівень глюкози в крові підвищується, вироблення інсуліну не запускається, і тому рівень глюкози в крові продовжує зростати. Це може призвести до таких симптомів, як затуманення зору, втрата ваги, гіпервентиляція, нудота та блювота, серед інших. При цукровому діабеті 2 типу хронічний високий рівень глюкози в крові стався внаслідок неправильного харчування та відсутності фізичних вправ. Це призводить до того, що клітини більше не розпізнають інсулін, і тому рівень глюкози в крові продовжує зростати.

Підсумовування позитивних та негативних циклів зворотного зв'язку

Цикли зворотного зв'язку - це біологічні механізми, завдяки яким підтримується гомеостаз. Це відбувається, коли продукт або результат події чи реакції змінює реакцію організму на цю реакцію. Позитивні відгуки виникають, щоб збільшити зміну або вихід: результат реакції посилюється, щоб зробити її швидшою. Негативний зворотний зв'язок виникає, щоб зменшити зміну або вихід: результат реакції зменшується, щоб повернути систему в стабільний стан. Деякі приклади позитивних відгуків - сутички при народженні дитини та дозрівання плодів; приклади негативних відгуків включають регулювання рівня глюкози в крові та осморегуляцію.

Шукаю біологічну практику?

Почніть підготовку з біології з Альбертом. Почніть підготовку до іспиту AP® сьогодні.