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33.3: Homeostasis - Biología

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33.3: Homeostasis

Homeostasis

La homeostasis es el proceso de un organismo de mantener un entorno interno estable adecuado para sustentar la vida. La palabra homeostasis deriva del griego, con hogar que significa "similar", y estasis, que significa "estable". Cuando se usa como adjetivo, es homeostático.

Normalmente pensamos en la homeostasis en términos de todo el cuerpo, pero los sistemas individuales, es decir, los grupos de órganos, también mantienen las condiciones homeostáticas. No obstante, el desequilibrio prolongado en un solo sistema puede afectar negativamente la homeostasis de todo el organismo.


33.3 Anticuerpos

En esta sección, explorará las siguientes preguntas:

  • ¿Qué es la reactividad cruzada?
  • ¿Cuál es la estructura básica de un anticuerpo y cuáles son las funciones de los anticuerpos?
  • ¿Cómo se producen los anticuerpos?

Conexión para cursos AP ®

Gran parte de la información de esta sección no está dentro del alcance de AP ®. Anticuerpos, también conocidas como inmunoglobulinas, son proteínas producidas y secretadas por células plasmáticas (linfocitos B diferenciados) que median la respuesta inmune humoral. Los anticuerpos son proteínas en forma de Y que constan de cuatro polipéptidos con al menos dos sitios de unión para un antígeno específico. Las áreas donde se reconoce el antígeno en el anticuerpo son dominios variables. Para AP®, no necesita conocer las diferentes clases de anticuerpos o la estructura molecular de un anticuerpo específico. Lo que es importante comprender es que los anticuerpos son específicos de un antígeno. Cuando los anticuerpos se unen a antígenos, pueden neutralizar patógenos, marcarlos para fagocitosis o activar la cascada del complemento. Debido a que los anticuerpos secretados pueden permanecer en la circulación durante muchos años, la exposición secundaria a un patógeno da como resultado una respuesta inmune más rápida. Los anticuerpos se encuentran en la sangre, en las secreciones gástricas y mucosas y en la leche materna, lo que proporciona inmunidad pasiva al lactante.

La información presentada y los ejemplos resaltados en la sección apoyan los conceptos descritos en la Gran Idea 2 y la Gran Idea 4 del Marco del Currículo de Biología AP ®. Los Objetivos de Aprendizaje AP ® que figuran en el Marco del Currículo proporcionan una base transparente para el curso de Biología AP ®, una experiencia de laboratorio basada en la investigación, actividades de instrucción y preguntas del examen AP ®. Un objetivo de aprendizaje fusiona el contenido requerido con una o más de las siete prácticas científicas.

Gran idea 2 Los sistemas biológicos utilizan energía libre y bloques de construcción moleculares para crecer, reproducirse y mantener la homeostasis dinámica.
Comprensión duradera 2.D El crecimiento y la homeostasis dinámica de un sistema biológico están influenciados por cambios en el entorno del sistema.
Conocimiento esencial 2.D.4 Las plantas y los animales tienen una variedad de defensas químicas contra las infecciones que afectan la homeostasis dinámica.
Práctica de la ciencia 1.1 El estudiante puede crear representaciones y modelos de fenómenos y sistemas naturales o creados por el hombre en el dominio.
Práctica de la ciencia 1.2 El estudiante puede describir representaciones y modelos de fenómenos y sistemas naturales o creados por el hombre en el dominio.
Objetivo de aprendizaje 2.30 El estudiante puede crear representaciones o modelos para describir defensas inmunes inespecíficas en animales.
Gran idea 4 Los sistemas biológicos interactúan y estos sistemas y sus interacciones poseen propiedades complejas.
Comprensión duradera 4.C La diversidad que ocurre naturalmente entre componentes dentro de los sistemas biológicos afecta las interacciones con el medio ambiente.
Conocimiento esencial 4.C.1 La variación en las unidades moleculares proporciona a las células una gama más amplia de funciones.
Práctica de la ciencia 6.2 El alumno puede construir explicaciones de fenómenos basados ​​en evidencia producida a través de prácticas científicas.
Objetivo de aprendizaje 4.22 El estudiante es capaz de construir explicaciones basadas en evidencia de cómo la variación en las unidades moleculares proporciona a las células una gama más amplia de funciones.

Estructura de anticuerpos

Una molécula de anticuerpo se compone de cuatro polipéptidos: dos cadenas pesadas idénticas (unidades de péptidos grandes) que están parcialmente unidas entre sí en una formación de "Y", que están flanqueadas por dos cadenas ligeras idénticas (unidades de péptidos pequeños), como se ilustra en la Figura 33.22. Los enlaces entre los aminoácidos de cisteína en la molécula de anticuerpo unen los polipéptidos entre sí. Las áreas donde se reconoce el antígeno en el anticuerpo son dominios variables y la base del anticuerpo está compuesta por dominios constantes.

En las células B de la línea germinal, la región variable del gen de la cadena ligera tiene 40 segmentos variables (V) y cinco que se unen (J). Una enzima llamada ADN recombinasa escinde al azar la mayoría de estos segmentos del gen y empalma un segmento V en un segmento J. Durante el procesamiento del ARN, todos los segmentos V y J menos uno se empalman. La recombinación y el empalme pueden resultar en más de 10 6 combinaciones posibles de VJ. Como resultado, cada célula B diferenciada en el cuerpo humano típicamente tiene una cadena variable única. El dominio constante, que no se une al anticuerpo, es el mismo para todos los anticuerpos.

De manera similar a los TCR y BCR, la diversidad de anticuerpos se produce mediante la mutación y recombinación de aproximadamente 300 segmentos de genes diferentes que codifican los dominios variables de cadena ligera y pesada en células precursoras que están destinadas a convertirse en células B. Los dominios variables de las cadenas pesada y ligera interactúan para formar el sitio de unión a través del cual un anticuerpo puede unirse a un epítopo específico en un antígeno. El número de dominios constantes repetidos en clases de Ig es el mismo para todos los anticuerpos correspondientes a una clase específica. Los anticuerpos son estructuralmente similares al componente extracelular de las BCR, y la maduración de las células B a células plasmáticas se puede visualizar en términos simples a medida que la célula adquiere la capacidad de secretar la porción extracelular de su BCR en grandes cantidades.

Clases de anticuerpos

Los anticuerpos se pueden dividir en cinco clases: IgM, IgG, IgA, IgD, IgE, según sus propiedades fisicoquímicas, estructurales e inmunológicas. Las IgG, que constituyen aproximadamente el 80 por ciento de todos los anticuerpos, tienen cadenas pesadas que constan de un dominio variable y tres dominios constantes idénticos. IgA e IgD también tienen tres dominios constantes por cadena pesada, mientras que IgM e IgE tienen cada uno cuatro dominios constantes por cadena pesada. El dominio variable determina la especificidad de unión y el dominio constante de la cadena pesada determina el mecanismo de acción inmunológico de la clase de anticuerpos correspondiente. Es posible que dos anticuerpos tengan las mismas especificidades de unión pero estén en clases diferentes y, por lo tanto, estén involucrados en funciones diferentes.

Después de que se produce una defensa adaptativa contra un patógeno, típicamente las células plasmáticas primero secretan IgM a la sangre. Los BCR en células B vírgenes pertenecen a la clase IgM y, en ocasiones, a la clase IgD. Las moléculas de IgM constituyen aproximadamente el diez por ciento de todos los anticuerpos. Antes de la secreción de anticuerpos, las células plasmáticas ensamblan moléculas de IgM en pentámeros (cinco anticuerpos individuales) unidos por una cadena de unión (J), como se muestra en la figura 33.23. La disposición del pentámero significa que estas macromoléculas pueden unirse a diez antígenos idénticos. Sin embargo, las moléculas de IgM liberadas temprano en la respuesta inmune adaptativa no se unen a los antígenos de manera tan estable como las IgG, que son uno de los posibles tipos de anticuerpos secretados en grandes cantidades tras la reexposición al mismo patógeno. La figura 33.23 resume las propiedades de las inmunoglobulinas e ilustra sus estructuras básicas.

Las IgA pueblan la saliva, las lágrimas, la leche materna y las secreciones mucosas de los tractos gastrointestinal, respiratorio y genitourinario. En conjunto, estos fluidos corporales recubren y protegen la extensa mucosa (4000 pies cuadrados en humanos). El número total de moléculas de IgA en estas secreciones corporales es mayor que el número de moléculas de IgG en el suero sanguíneo. También se secreta una pequeña cantidad de IgA en el suero en forma monomérica. Por el contrario, algo de IgM se secreta en los fluidos corporales de la mucosa. De manera similar a la IgM, las moléculas de IgA se secretan como estructuras poliméricas unidas con una cadena J. Sin embargo, las IgA se secretan principalmente como moléculas diméricas, no como pentámeros.

La IgE está presente en el suero en pequeñas cantidades y se caracteriza mejor por su papel como mediador de alergias. La IgD también está presente en pequeñas cantidades. De manera similar a la IgM, las BCR de la clase IgD se encuentran en la superficie de las células B vírgenes. Esta clase apoya el reconocimiento de antígenos y la maduración de las células B a células plasmáticas.

Funciones de anticuerpos

Las células plasmáticas diferenciadas son actores cruciales en la respuesta humoral, y los anticuerpos que secretan son particularmente importantes contra patógenos y toxinas extracelulares. Los anticuerpos circulan libremente y actúan independientemente de las células plasmáticas. Los anticuerpos se pueden transferir de un individuo a otro para proteger temporalmente contra enfermedades infecciosas. Por ejemplo, una persona que ha producido recientemente una respuesta inmune exitosa contra un agente patógeno en particular puede donar sangre a un receptor no inmune y conferir inmunidad temporal a través de anticuerpos en el suero sanguíneo del donante. Este fenómeno se llama inmunidad pasiva también ocurre naturalmente durante la lactancia, lo que hace que los bebés amamantados sean muy resistentes a las infecciones durante los primeros meses de vida.

Los anticuerpos recubren los patógenos extracelulares y los neutralizan, como se ilustra en la figura 33.24, bloqueando los sitios clave del patógeno que mejoran su infectividad (como los receptores que "atracan" los patógenos en las células hospedadoras). La neutralización de anticuerpos puede evitar que los patógenos entren e infecten las células huésped, a diferencia del enfoque mediado por CTL de matar células que ya están infectadas para evitar la progresión de una infección establecida. Los patógenos recubiertos de anticuerpos neutralizados pueden luego filtrarse por el bazo y eliminarse en la orina o las heces.

Los anticuerpos también marcan patógenos para su destrucción por células fagocíticas, como macrófagos o neutrófilos, porque las células fagocíticas son muy atraídas por macromoléculas complejadas con anticuerpos. El realce fagocítico por anticuerpos se denomina opsonización. En un proceso llamado fijación del complemento, las IgM e IgG en el suero se unen a los antígenos y proporcionan sitios de acoplamiento en los que pueden unirse las proteínas secuenciales del complemento. La combinación de anticuerpos y complemento mejora la opsonización aún más y promueve la eliminación rápida de patógenos.

Afinidad, avidez y reactividad cruzada

No todos los anticuerpos se unen con la misma fuerza, especificidad y estabilidad. De hecho, los anticuerpos exhiben diferentes afinidades (atracción) dependiendo de la complementariedad molecular entre las moléculas de antígeno y anticuerpo, como se ilustra en la Figura 33.25. Un anticuerpo con una mayor afinidad por un antígeno particular se uniría de manera más fuerte y estable y, por lo tanto, se esperaría que presentara una defensa más desafiante contra el patógeno correspondiente al antígeno específico.

El término avidez describe la unión por clases de anticuerpos que se secretan como estructuras multivalentes unidas (como IgM e IgA). Aunque la avidez mide la fuerza de la unión, al igual que la afinidad, la avidez no es simplemente la suma de las afinidades de los anticuerpos en una estructura multimérica. La avidez depende del número de sitios de unión idénticos en el antígeno que se detecta, así como de otros factores físicos y químicos. Normalmente, los anticuerpos multiméricos, como la IgM pentamérica, se clasifican por tener menor afinidad que los anticuerpos monoméricos, pero alta avidez. Esencialmente, el hecho de que los anticuerpos multiméricos puedan unirse a muchos antígenos simultáneamente equilibra su fuerza de unión ligeramente más baja para cada interacción anticuerpo / antígeno.

Los anticuerpos secretados después de unirse a un epítopo en un antígeno pueden exhibir reactividad cruzada para los mismos o similares epítopos en diferentes antígenos. Debido a que un epítopo corresponde a una región tan pequeña (el área superficial de aproximadamente cuatro a seis aminoácidos), es posible que diferentes macromoléculas exhiban las mismas identidades y orientaciones moleculares en regiones cortas. Reactividad cruzada describe cuando un anticuerpo se une no al antígeno que provocó su síntesis y secreción, sino a un antígeno diferente.

La reactividad cruzada puede ser beneficiosa si un individuo desarrolla inmunidad a varios patógenos relacionados a pesar de haber estado expuesto o vacunado contra uno de ellos. Por ejemplo, puede producirse una reactividad cruzada de anticuerpos contra las estructuras superficiales similares de varias bacterias Gram negativas. Por el contrario, los anticuerpos producidos contra componentes moleculares patógenos que se asemejan a moléculas propias pueden marcar incorrectamente las células huésped para su destrucción y causar daño autoinmune. Los pacientes que desarrollan lupus eritematoso sistémico (LES) suelen presentar anticuerpos que reaccionan con su propio ADN. Estos anticuerpos pueden haberse producido inicialmente contra el ácido nucleico de microorganismos, pero luego reaccionaron de forma cruzada con autoantígenos. Este fenómeno también se llama mimetismo molecular.

Anticuerpos del sistema inmunológico de las mucosas

Los anticuerpos sintetizados por el sistema inmunológico de las mucosas incluyen IgA e IgM. Las células B activadas se diferencian en células plasmáticas de la mucosa que sintetizan y secretan IgA dimérica y, en menor medida, IgM pentamérica. La IgA secretada abunda en las lágrimas, la saliva, la leche materna y en las secreciones de los tractos gastrointestinal y respiratorio. La secreción de anticuerpos da como resultado una respuesta humoral local en las superficies epiteliales y previene la infección de la mucosa mediante la unión y neutralización de patógenos.


33.3: Homeostasis - Biología

Capítulo 33
Comparación de cordados

En este capítulo, los estudiantes leerán acerca de las tendencias generales en la evolución de los cordados y compararán las adaptaciones de los principales grupos vivos de cordados. Los enlaces a continuación conducen a recursos adicionales para ayudarlo con este capítulo. Estos incluyen enlaces directos a sitios web relacionados con los temas de este capítulo, las actividades de Take It to the Net a las que se hace referencia en su libro de texto, una autoevaluación que puede utilizar para evaluar su conocimiento de este capítulo y enlaces de enseñanza que los instructores pueden encontrar. útil para sus alumnos.

Sección 33-1: Evolución de los cordados
El árbol genealógico de los cordados tiene sus raíces en ancestros que los vertebrados comparten con tunicados y lancetas.
A lo largo de la evolución, la aparición de nuevas adaptaciones, como mandíbulas y apéndices emparejados, ha lanzado radiación adaptativa en grupos de cordados.

Sección 33-2: Control de la temperatura corporal
El control de la temperatura corporal es importante para mantener la homeostasis en muchos vertebrados, particularmente en hábitats donde la temperatura varía ampliamente con la hora del día y la estación.
La mayoría de los peces, anfibios y reptiles son ectotermos y organismos que obtienen calor del exterior de sus cuerpos. Las aves y los mamíferos son endotermos, lo que significa que pueden generar calor dentro de sus cuerpos.

Sección 33-3: Forma y función en cordados
El sistema digestivo de los vertebrados tiene órganos que están bien adaptados para diferentes hábitos alimenticios.
Los cordados acuáticos, como tunicados, peces y larvas de anfibios, utilizan branquias para la respiración. Los vertebrados terrestres, incluidos los anfibios adultos, reptiles, aves y mamíferos, usan pulmones.
Durante el curso de la evolución de los cordados, el corazón desarrolló cámaras y particiones que ayudan a separar la sangre que viaja en el sistema circulatorio.
Los cordados no vertebrados tienen un sistema nervioso relativamente simple con una masa de células nerviosas que forman un cerebro. Los vertebrados tienen un cerebro más complejo con regiones distintas, cada una con una función diferente.
Los sistemas musculares y esqueléticos sostienen el cuerpo de un vertebrado y permiten controlar el movimiento.


Definición de homeostasis

Homeostasis: Propiedad de las células, tejidos y organismos que permite el mantenimiento y la regulación de la estabilidad y constancia necesarias para funcionar correctamente. La homeostasis es un estado saludable que se mantiene mediante el ajuste constante de las vías bioquímicas y fisiológicas. Un ejemplo de homeostasis es el mantenimiento de una presión arterial constante en el cuerpo humano mediante una serie de ajustes finos en el rango normal de funcionamiento de los sistemas hormonal, neuromuscular y cardiovascular. Estos ajustes permiten el mantenimiento de la presión arterial necesaria para el funcionamiento del cuerpo a pesar de los cambios ambientales y los cambios en el nivel de actividad y la posición de una persona. Otros mecanismos homeostáticos, por ejemplo, permiten el mantenimiento de la temperatura corporal dentro de un rango estrecho.

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Control de la homeostasis

Cuando ocurre un cambio en un ambiente animal & rsquos, se debe hacer un ajuste. El receptor detecta el cambio en el entorno y luego envía una señal al centro de control (en la mayoría de los casos, el cerebro) que, a su vez, genera una respuesta que se envía a un efector. El efector es un músculo (que se contrae o relaja) o una glándula que segrega. La homeostatsis se mantiene mediante ciclos de retroalimentación negativa. Los circuitos de retroalimentación positiva en realidad empujan al organismo más lejos de la homeostasis, pero pueden ser necesarios para que ocurra la vida. La homeostasis está controlada por el sistema nervioso y endocrino de los mamíferos.


El punto de vista de un fisiólogo sobre la homeostasis

La homeostasis es un concepto central necesario para comprender los numerosos mecanismos reguladores en fisiología. Claude Bernard propuso originalmente el concepto de la constancia del & # x0201cmilieu interieur, & # x0201d, pero su discusión fue bastante abstracta. Walter Cannon introdujo el término & # x0201chomeostasis & # x0201d y amplió la noción de & # x0201cconstancia & # x0201d de Bernard del entorno interno de una manera explícita y concreta. En la década de 1960, los mecanismos reguladores homeostáticos en fisiología comenzaron a describirse como procesos discretos después de la aplicación del análisis de sistemas de control de ingeniería a los sistemas fisiológicos. Desafortunadamente, muchos textos de licenciatura continúan destacando aspectos abstractos del concepto en lugar de enfatizar un modelo general que se puede aplicar de manera específica y completa a todos los mecanismos homeostáticos. Como resultado, tanto los estudiantes como los instructores a menudo no logran desarrollar un modelo claro y conciso con el que pensar sobre tales sistemas. En este artículo, presentamos un modelo estándar para los mecanismos homeostáticos que se utilizarán a nivel de pregrado. Discutimos las fuentes comunes de confusión (& # x0201c puntos pegajosos & # x0201d) que surgen de inconsistencias en el vocabulario y las ilustraciones que se encuentran en los textos populares de pregrado. Finalmente, proponemos un modelo simplificado y un conjunto de vocabulario para ayudar a los estudiantes de pregrado a construir modelos mentales efectivos de regulación homeostática en sistemas fisiológicos.

en 2007, un grupo de 21 biólogos de una amplia gama de disciplinas acordó que & # x0201chomeostasis & # x0201d era uno de los ocho conceptos centrales en biología (14). Dos años más tarde, la Asociación Estadounidense de Facultades de Medicina y el Instituto Médico Howard Hughes en su informe (1) sobre los fundamentos científicos para los futuros médicos identificaron de manera similar la capacidad de aplicar el conocimiento sobre & # x0201chomeostasis & # x0201d como una de las competencias centrales (competencia M1).

Desde nuestra perspectiva como fisiólogos, está claro que la homeostasis es un concepto central de nuestra disciplina. Cuando preguntamos a los instructores de fisiología de una amplia gama de instituciones educativas qué pensaban que eran las & # x0201c grandes ideas & # x0201d (conceptos) de fisiología, descubrimos que ellos también identificaban & # x0201comostasis & # x0201d y & # x0201c membranas celulares & # x0201d grandes ideas más importantes en fisiología (15). En una encuesta posterior (16), los instructores de fisiología clasificaron la homeostasis como uno de los conceptos básicos fundamentales para comprender la fisiología.

Si, como indican estas encuestas, el concepto de homeostasis es fundamental para comprender los mecanismos fisiológicos, cabría esperar que los instructores y los libros de texto presentaran un modelo coherente del concepto. Sin embargo, un examen de 11 libros de texto de fisiología y biología de pregrado de uso común reveló que este no es necesariamente el caso (17). Las explicaciones del concepto de homeostasis y las referencias posteriores al concepto adolecen de una serie de deficiencias. Aunque estos textos definen algunos términos relacionados con los sistemas reguladores homeostáticos, muchos autores no utilizan estos términos de forma coherente. Además, no siempre utilizan representaciones visuales coherentes del concepto. Además, la explicación del concepto a menudo entra en conflicto con la comprensión actual de los mecanismos reguladores homeostáticos. Es muy probable que estas limitaciones de los libros de texto se trasladen a la instrucción en el aula, debilitando así el poder del concepto como idea unificadora para comprender la fisiología.

Los objetivos de este artículo son desarrollar una descripción correcta y una representación visual de un mecanismo homeostático general que pueda servir como herramienta de aprendizaje para los miembros de la facultad y los estudiantes. Limitaremos nuestra discusión a los mecanismos homeostáticos que se encuentran en los sistemas orgánicos que mantienen un compartimento extracelular constante y no consideraremos otros tipos de homeostasis. Aunque esta herramienta puede ser útil en cualquier nivel académico, nuestro enfoque principal es su aplicación a nivel de pregrado cuando los estudiantes conocen el concepto por primera vez. También discutiremos brevemente la historia del concepto y luego abordaremos los & # x0201c puntos difíciles & # x0201d que pueden generar confusión tanto para los miembros de la facultad como para los estudiantes al intentar aplicar el concepto a la fisiología de los mamíferos y los organismos. Concluimos con sugerencias para mejorar la instrucción sobre la homeostasis y sus aplicaciones.

Historia del concepto de homeostasis

Claude Bernard afirmó que los organismos complejos son capaces de mantener su entorno interno [líquido extracelular (ECF)] bastante constante frente a los desafíos del mundo externo (8). Continuó diciendo que & # x0201ca la existencia libre e independiente sólo es posible debido a la estabilidad del medio interno & # x0201d (3). Walter Cannon acuñó el término & # x0201chomeostasis & # x0201d con la intención de proporcionar un término que transmitiera la idea general propuesta unos 50 años antes por Bernard (8). La visión de Cannon se centró en mantener un estado estable dentro de un organismo independientemente de si los mecanismos involucrados eran pasivos (p. Ej., El movimiento del agua entre los capilares y el intersticio que refleja un equilibrio entre las fuerzas hidrostáticas y osmóticas) o activos (p. Ej., Almacenamiento y liberación de glucosa intracelular) (6). Si bien reconocemos la validez de los mecanismos de homeostasis tanto pasivos como activos, nuestra consideración se centrará exclusivamente en los procesos reguladores activos involucrados en el mantenimiento de la homeostasis.

Los primeros libros de texto de fisiología reflejaban esta amplia definición al mencionar brevemente el concepto de Bernard de la constancia del medio interno, pero el término & # x0201chomeostasis & # x0201d no se utilizó en las discusiones sobre mecanismos reguladores específicos (9, 11, 4).

Esta situación comenzó a cambiar a mediados de la década de 1960, cuando surgió una rama de la ingeniería biomédica que se centró en aplicar el análisis de sistemas de control de ingeniería a los sistemas fisiológicos (18, 19, 2, 20). Arthur Guyton fue el primer autor importante de libros de texto de fisiología en incluir un enfoque de la teoría de los sistemas de control en su libro de texto, y su libro incluyó una atención detallada a los muchos mecanismos reguladores del cuerpo (10). Por lo tanto, Guyton presentó a muchos estudiantes el concepto de homeostasis como un mecanismo regulador activo que tendía a minimizar las alteraciones del entorno interno.

La teoría de los sistemas de control de ingeniería describe una variedad de otros mecanismos para mantener la estabilidad de un sistema. Aunque muchos de estos mecanismos pueden encontrarse en sistemas biológicos (7), no todos son componentes de mecanismos homeostáticos. Por ejemplo, el sistema balístico utilizado por el sistema nervioso para lanzar una pelota simplemente calcula de antemano el patrón de comandos necesarios para lograr algún resultado en particular basado en la experiencia previa (7). Aquí, no hay ningún elemento involucrado que regule el ambiente interno.

Los mecanismos homeostáticos se originaron para mantener una variable regulada en el medio interno dentro de un rango de valores compatibles con la vida y, como se ha sugerido más recientemente, para reducir el ruido durante la transferencia de información en sistemas fisiológicos (22). Para enfatizar el proceso de estabilización, distinguimos entre una variable & # x0201cregulada (detectada) & # x0201d y una & # x0201c variable (controlada) no regulada & # x0201d (5, 23). Una variable regulada (detectada) es aquella para la que existe un sensor dentro del sistema y que se mantiene dentro de un rango limitado por mecanismos fisiológicos (5). Por ejemplo, la presión arterial y la temperatura corporal son variables detectadas. Los barorreceptores y termorreceptores existen dentro del sistema y proporcionan el valor de la presión o temperatura al mecanismo regulador. Llamamos variables que pueden ser cambiadas por el sistema, pero para las cuales no existen sensores dentro del sistema, variables no reguladas (controladas). Las variables no reguladas se manipulan o modulan para lograr la regulación de la variable que se mantiene constante. Por ejemplo, el sistema nervioso autónomo puede modificar la frecuencia cardíaca para regular la presión arterial, pero no hay sensores en el sistema que midan directamente la frecuencia cardíaca. Por tanto, la frecuencia cardíaca es una variable no regulada.

En la figura 1 se muestra un modelo simple que ilustra los conceptos fundamentales del sistema de control de ingeniería relevantes para los mecanismos reguladores homeostáticos.

Diagrama de un sistema regulador homeostático genérico. Si se altera el valor de la variable regulada, este sistema funciona para restaurarlo hacia su valor de punto de ajuste y, por lo tanto, también se lo conoce como un sistema de retroalimentación negativa.

Este modelo, alguna versión del cual aparece en muchos textos de fisiología actuales, incluye los siguientes cinco componentes críticos que debe contener un sistema regulador para mantener la homeostasis:

1. Debe contener un sensor que mida el valor de la variable regulada.

2. Debe contener un mecanismo para establecer el & # x0201crango normal & # x0201d de valores para la variable regulada. En el modelo que se muestra en la Fig.1, este mecanismo está representado por el & # x0201cset point, & # x0201d, aunque este término no implica que este rango normal sea en realidad un & # x0201cpoint & # x0201d o que tenga un valor fijo . En la siguiente sección, discutimos más a fondo la noción de un punto de ajuste.

3. Debe contener un & # x0201cerror detector & # x0201d que compare la señal que está siendo transmitida por el sensor (que representa el valor real de la variable regulada) con el punto de ajuste. El resultado de esta comparación es una señal de error que es interpretada por el controlador.

4. El controlador interpreta la señal de error y determina el valor de las salidas de los efectores.

5. Los efectores son aquellos elementos que determinan el valor de la variable regulada.

Tal sistema opera de manera que hace que cualquier cambio en la variable regulada, una perturbación, sea contrarrestado por un cambio en la salida del efector para restaurar la variable regulada hacia su valor de punto de ajuste. Los sistemas que se comportan de esta manera se denominan sistemas de retroalimentación negativa.

Si bien el modelo que se muestra en la figura 1 es relativamente simple, existe una gran cantidad de información que se puede empaquetar en cada una de las cajas que constituyen el modelo. La homeostasis también se puede describir como un conjunto de enunciados ordenados jerárquicamente, un marco conceptual, que contiene cualquier aliento y profundidad de información que sea apropiada para un conjunto particular de estudiantes en un curso. Hemos desarrollado y descrito un & # x0201cunpacking & # x0201d del concepto central de homeostasis (12, 13). El modelo y el marco conceptual proporcionan a los estudiantes diferentes herramientas para pensar en la homeostasis.

Temas que causan confusión a estudiantes e instructores: puntos delicados

Un punto delicado es cualquier dificultad conceptual que haga que el modelo mental de cualquier fenómeno sea inexacto y, por lo tanto, menos útil. Hay una serie de factores que contribuyen a la generación de puntos difíciles tanto para los profesores como para los estudiantes:

El fenómeno en cuestión es complejo.

Hay aspectos del fenómeno que son contrarios a la intuición.

El lenguaje o la terminología utilizada para describir el fenómeno o concepto es inconsistente.

La comprensión de la disciplina del fenómeno es incierta o incompleta.

En esta sección, describiremos algunos puntos difíciles sobre los mecanismos reguladores homeostáticos que hemos descubierto a medida que interactuamos con instructores y estudiantes sobre su comprensión de la homeostasis. Abordaremos estos puntos difíciles en forma de una serie de preguntas y respuestas.

¿Qué entorno está regulado por la homeostasis del organismo?

La homeostasis del organismo, tal como la definió originalmente Cannon (6), se refiere a los mecanismos fisiológicos que mantienen relativamente constantes las variables relacionadas con el medio interno del organismo. Esto incluye variables relacionadas con todo el compartimento ECF o sus subcompartimentos (por ejemplo, el plasma). No discutiremos los mecanismos homeostáticos intracelulares.

¿Son todos los sistemas de retroalimentación negativa homeostáticos?

Aunque la retroalimentación negativa es un elemento esencial de los mecanismos reguladores homeostáticos, la presencia de retroalimentación negativa en un sistema no significa que el sistema tenga una función homeostática. La retroalimentación negativa existe en muchos sistemas que no involucran regulación homeostática. Por ejemplo, la retroalimentación negativa juega un papel en el reflejo de estiramiento muscular, pero este reflejo no está involucrado en el mantenimiento de la constancia del entorno interno. En otros casos, la presencia de retroalimentación negativa puede minimizar la oscilación de una variable, aunque esa variable en sí no se mantenga relativamente constante (es decir, no es una variable regulada). El control de los niveles sanguíneos de cortisol es un ejemplo de los efectos amortiguadores oscilantes de la retroalimentación negativa (ver más información a continuación).

¿Pueden otros tipos de mecanismos de control (p. Ej., Feedforward) mantener la homeostasis?

Los mecanismos de control anticipatorio o feedforward permiten al cuerpo predecir un cambio en la fisiología del organismo e iniciar una respuesta que puede reducir el movimiento de una variable regulada fuera de su rango normal (7, 23). Por lo tanto, los mecanismos de retroalimentación pueden ayudar a minimizar los efectos de una perturbación y pueden ayudar a mantener la homeostasis. Por ejemplo, los aumentos anticipatorios en la frecuencia respiratoria reducirán el curso temporal de la respuesta a la hipoxia inducida por el ejercicio. Debido a esto, se ha intentado ampliar la definición de homeostasis para incluir una variedad de mecanismos anticipatorios (23).

Sin embargo, hemos decidido limitar nuestro modelo genérico de un sistema regulador homeostático (Fig. 1) a uno que ilustra la retroalimentación negativa y demuestra la minimización de una señal de error. Hemos hecho esto porque nuestro modelo está destinado a ayudar a los profesores a enseñar y a los estudiantes a aprender el concepto central de la homeostasis en la introducción a la fisiología (12, 13). Hay características complejas adicionales que se encuentran en los sistemas de retroalimentación que no se incluyen aquí porque nuestra intención es ayudar primero a los estudiantes a comprender el concepto fundamental de la regulación homeostática. A medida que se encuentran situaciones en las que este modelo básico ya no es adecuado para predecir el comportamiento del sistema (7, 23), se pueden agregar al modelo elementos adicionales como mecanismos de retroalimentación.

¿Qué es un punto de ajuste?

Comprender el concepto de un punto de ajuste es fundamental para comprender la función de un mecanismo homeostático. El punto de ajuste en un sistema de control de ingeniería se define fácilmente y se entiende que es el valor de la variable regulada que el diseñador u operador del sistema desea como salida del sistema. El mecanismo de control de crucero en un automóvil es un ejemplo de un sistema con un punto de ajuste fácil de entender. El conductor determina la velocidad deseada para el automóvil (el punto de ajuste). El mecanismo regulador utiliza efectores disponibles (los actuadores del acelerador) y un sistema de retroalimentación negativa para mantener la velocidad constante frente a los cambios en las condiciones del terreno y el viento. En tal sistema, podemos imaginar un circuito electrónico ubicado en el módulo de control del motor que compara la velocidad de avance real con la velocidad establecida programada por el conductor y usa la señal de error para controlar el actuador del acelerador de manera apropiada.

En los sistemas fisiológicos, el punto de ajuste es conceptualmente similar. Sin embargo, una fuente de dificultad es que, en la mayoría de los casos, no conocemos los mecanismos moleculares o celulares que generan una señal de determinada magnitud. Lo que está claro es que ciertos sistemas fisiológicos se comportan como si hubiera una señal de punto de ajuste que se usa para regular una variable fisiológica (23).

Otro desafío para nuestra comprensión de los puntos de ajuste surge del hecho de que los puntos de ajuste son claramente cambiantes, ya sea fisiológicamente o como resultado de un cambio patológico en el sistema (23). Los mecanismos que provocan variaciones en un punto de ajuste pueden operar de forma temporal, permanente o cíclica. Fisiológicamente, esto puede ocurrir como resultado de fenómenos fisiológicos discretos (por ejemplo, fiebre), el funcionamiento de homeóstatos jerárquicos (por ejemplo, la regulación de ECF P co 2) (ver Ref.7), oa través de la influencia de relojes biológicos (por ejemplo, ritmos circadianos o diurnos de la temperatura corporal). La observación de que los puntos de ajuste se pueden cambiar agrega complejidad a nuestra comprensión de la regulación homeostática y puede generar confusión sobre si el cambio medido en una variable regulada es el resultado de un cambio en el estímulo fisiológico o de un cambio de punto de ajuste (23). En estos casos, es importante hacer tales distinciones entre un cambio en el estímulo y la modulación del punto de ajuste para llegar a una imagen precisa de cómo funciona un sistema particular regulado homeostáticamente.

¿Los mecanismos homeostáticos funcionan como un interruptor de encendido / apagado?

Las señales de control SIEMPRE están presentes y determinan continuamente la salida de los efectores. Los cambios en las señales de control alteran las salidas de los efectores y, por lo tanto, cambian la variable regulada. La amplitud de estas señales de control varía cuando hay una señal de error (es decir, cuando la variable regulada no es la misma que el punto de ajuste). Por lo tanto, la regulación homeostática es un proceso continuo y constante y normalmente no funciona como un interruptor de encendido / apagado que da como resultado una respuesta de todo o nada.

¿Cuál es la diferencia entre un efector y una respuesta fisiológica?

Los diagramas y las narrativas de los libros de texto pueden difuminar la distinción entre el efector y una respuesta generada por el efector, lo que dificulta que los estudiantes construyan un modelo mental correcto. Este problema puede ocurrir si, cuando se presenta una representación visual de un mecanismo homeostático (ver Fig. 1), se coloca una respuesta fisiológica en la misma casilla & # x0201cconcept & # x0201d que el efector. Por ejemplo, & # x0201c mayor secreción por las glándulas sudoríparas & # x0201d y & # x0201cvasodilatación de los vasos sanguíneos en la piel & # x0201d pueden identificarse como efectores en el sistema de control de la termorregulación. Sin embargo, sólo las glándulas sudoríparas y los vasos sanguíneos son efectores, mientras que la secreción aumentada y la dilatación vascular son las respuestas de los efectores. La comprensión completa de los mecanismos homeostáticos requiere que nosotros, y los estudiantes, hagamos distinciones claras entre efectores y respuestas. El término & # x0201cefector & # x0201d solo debe aplicarse a una entidad física como una célula, tejido u órgano, mientras que las respuestas como la secreción y la vasodilatación son acciones, no entidades físicas.

Los estudiantes también pueden confundirse si solo se piensa que el cambio en la variable regulada es la respuesta del efector. El cambio en la variable regulada es típicamente una consecuencia de cambios en la función causados ​​por efectores que determinan el valor de la variable regulada. Al aplicar el término & # x0201cresponse & # x0201d solo al cambio en la variable regulada, los pasos intermedios entre la acción del efector y el cambio en la variable regulada no se reconocen explícitamente. En estas circunstancias, sería razonable que los estudiantes concluyeran que los pasos intermedios son, de alguna manera, aspectos del efector más que el efecto de las acciones de los efectores. Esta práctica también puede reflejar una falta de comprensión de la diferencia entre la variable regulada, por ejemplo, la temperatura corporal, y todas las variables no reguladas que se modifican (por ejemplo, el diámetro de la arteriola y la tasa de producción de sudor) en los pasos entre la acción de la efector y el cambio en la variable regulada.

¿Qué significa & # x0201crelativamente constante en el tiempo & # x0201d?

En las secciones anteriores, enfatizamos que los mecanismos homeostáticos operan para mantener una variable regulada en el ambiente interno & # x0201crelativamente constante & # x0201d Esta es una frase común que se usa para describir lo que sucede normalmente con el valor de la variable regulada a lo largo del tiempo. Un posible punto delicado surge del uso de esta frase. ¿Cuánto cambio puede ocurrir en una variable regulada que se mantiene relativamente constante? Es necesario aclarar tres puntos. Al decir relativamente constante, queremos decir que:

1. Las variables reguladas se mantienen dentro de un rango de valores más estrecho que si no estuvieran reguladas.

2. El valor regulado se mantiene dentro de un rango acorde con la viabilidad del organismo.

3. Existen diferencias en el rango de valores permitidos para diferentes variables reguladas.

El segundo punto es clave para comprender el rango sobre el cual las variables reguladas pueden cambiar los mecanismos homeostáticos para prevenir un cambio potencialmente letal en el ambiente interno. De hecho, como se usa a menudo, relativamente constante esencialmente sirve como una frase sustituta para dentro del rango compatible con la viabilidad de un organismo. Para algunas variables reguladas, el rango es bastante estrecho (p. Ej., Concentración de H + extracelular u osmolaridad extracelular). Para otras variables, el rango puede ser amplio en algunas circunstancias (por ejemplo, concentración de glucosa en sangre durante el estado de alimentación) y estrecho en otras situaciones (por ejemplo, glucosa en sangre durante el estado de ayuno). Los factores que contribuyen al rango normal o, en nuestro modelo, al punto de ajuste, de una variable en particular son indudablemente complejos y, en la mayoría de los casos, no se han dilucidado.

¿Qué variables fisiológicas están reguladas homeostáticamente?

Para identificar variables específicas que pueden ser reguladas homeostáticamente, los cinco componentes críticos ilustrados en el modelo que se muestra en la Fig. 1 deben estar presentes. Es decir, debe existir un sistema regulador para esa variable que contenga los cinco componentes críticos descritos en la Figura 1. Con base en esta prueba, hemos generado una lista parcial de las variables fisiológicas que están reguladas homeostáticamente (Tabla 1). La lista de variables reguladas ampliamente reconocidas y claramente establecidas en humanos incluye una serie de iones inorgánicos (p. Ej., H +, Ca 2+, K + y Na +), nutrientes transmitidos por la sangre (p. Ej., Glucosa), presión arterial, sangre volumen, osmolaridad sanguínea y temperatura corporal central.

Tabla 1.

Variables reguladas homeostáticamente que se encuentran típicamente en los libros de texto de fisiología humana de pregrado

Variable reguladaRango o valor normalSensor (ubicación si se conoce)Centro de control (ubicación)EfectoresRespuesta efectora
P o arterial 275 & # x02013100 mmHgQuimiosensores (cuerpos carotídeos y cuerpo aórtico)Tronco encefálicoDiafragma y músculos respiratoriosCambiar la frecuencia respiratoria y el volumen corriente
P co arterial 234 & # x0201345 mmHgQuimiosensores (cuerpos carotídeos, cuerpo aórtico y médula)Tronco encefálicoDiafragma y músculos respiratoriosCambiar la frecuencia respiratoria y el volumen corriente
Concentración de K +3,5 & # x020135,0 meq / lQuimiosensores (corteza suprarrenal)Corteza suprarrenalRiñonesAlterar la reabsorción / secreción de K +
Concentración de Ca 2+4.3 & # x020135.3 meq / l (ionizado)Quimiosensores (glándula paratiroidea)Glándula paratiroideaHueso, riñón e intestinoAlterar la reabsorción de Ca 2+, alterar la reabsorción / formación de hueso y alterar la absorción de Ca 2+
Concentración de H + (pH)35 y # x0201345 nM (pH 7.35 y # x020137.45)Quimiosensores (cuerpos carotideos, cuerpo aórtico y piso del cuarto ventrículo)Tronco encefálicoDiafragma y músculos respiratoriosCambiar la frecuencia respiratoria y el volumen corriente y cambiar la secreción / reabsorción de iones H + / bicarbonato
Quimiosensores (riñón)RiñónRiñón
Concentración de glucosa en sangre70 & # x02013110 mg / dlEstado alimentado: quimiosensores (páncreas)PáncreasHígado, tejido adiposo y músculo esqueléticoAlterar el almacenamiento / metabolismo / liberación de glucosa y sus compuestos relacionados.
Estado de ayuno: quimiosensores (hipotálamo, páncreas)Hipotálamo
Temperatura corporal central98.6 & # x000b0FTermosensores (hipotálamo, piel)HipotálamoVasos sanguíneos y glándulas sudoríparas en la piel, así como músculos esqueléticos.Cambiar la resistencia periférica, la tasa de secreción de sudor y los escalofríos.
Alterar las ganancias / pérdidas de calor
Presión arterial media93 mmHgMecanosensores (seno carotídeo y arco aórtico)MédulaCorazón y vasos sanguíneosAlterar la frecuencia cardíaca, la resistencia periférica, el estado inotrópico del corazón y el tono venomotor
Volumen de sangre (volumen circulante efectivo)5 litrosMecanosensoresMédulaCorazónAlterar la frecuencia cardíaca, la resistencia periférica y el estado inotrópico del corazón.
(Vasos sanguíneos: cuerpos carotídeos)HipotálamoVasos sanguineosAlterar la reabsorción de Na + y agua
(Corazón: aurículas y ventrículo)AtriaRiñonesAlterar la absorción de agua
(Riñón: aparato yuxtaglomerular y arteriolas aferentes renales)RiñónIntestino
Osmolalidad sanguínea280 & # x02013296 mosM / kgOsmosensores (hipotálamo)HipotálamoRiñonesAlterar la reabsorción de agua.

Esta tabla incluye componentes comúnmente encontrados de los sistemas de control involucrados en la regulación fisiológica (es decir, homeostasis). Esto no pretende ser una lista exhaustiva, sino que refleja la comprensión actual de las variables reguladas homeostáticamente que los estudiantes de fisiología deben comprender y poder aplicar a los problemas (por ejemplo, hacer predicciones sobre las respuestas a las perturbaciones o explicar los síntomas de una enfermedad).

Un posible punto delicado ocurre cuando los libros de texto identifican variables como reguladas homeostáticamente, aunque el sistema involucrado no tiene todos los componentes requeridos. La proposición de que ciertos productos de desecho metabólico (por ejemplo, desechos nitrogenados, bilirrubina y creatinina) están regulados homeostáticamente ilustra tal falla. No estamos sugiriendo que los niveles de estas sustancias no se mantengan relativamente constantes mediante procesos de estado estacionario en el cuerpo. Más bien, las concentraciones de estas sustancias no se mantienen mediante un sistema que cumpla con la definición de mecanismo homeostático enumerado anteriormente. El cuerpo no posee un sensor fisiológico para detectar estas sustancias en el ECF y, por lo tanto, no puede regular homeostáticamente la concentración de ECF de estas sustancias.

Por el contrario, algunos mecanismos para controlar el nivel de una variable fisiológica incluyen un componente del modelo (por ejemplo, retroalimentación negativa) y pueden dar la apariencia de regulación homeostática pero, en el análisis final, no cumplen con todos los criterios y no deben considerarse homeostáticos. . Por ejemplo, los diagramas de libros de texto que ilustran el control de los niveles de cortisol en sangre muestran varios ciclos de retroalimentación negativa. Esto puede hacer que los estudiantes piensen que el cortisol es una variable regulada. Sin embargo, las variables detectadas en este sistema son las variables (p. Ej., Glucosa en sangre o & # x0201cstress & # x0201d) cuyos valores son procesados ​​por los centros cerebrales superiores o el hipotálamo y dan como resultado la liberación de la hormona liberadora de corticotropina. . El resultado de los ciclos de retroalimentación negativa que involucran a la hormona adrenocorticotrópica y al cortisol es una modulación de la tasa de liberación de las respectivas hormonas. Por lo tanto, la hormona liberadora de corticotropina, la hormona adrenocorticotrópica y el cortisol no deben considerarse variables reguladas homeostáticamente. Son elementos de señalización que controlan los efectores que determinan el valor de las variables reguladas.

Otra posible fuente de confusión sobre la identificación de variables reguladas surge cuando una variable fisiológica está regulada bajo un conjunto de circunstancias pero se comporta como una variable controlada bajo otras circunstancias. Esto puede suceder si una variable regulada está bajo el control de dos sistemas homeostáticos diferentes o si una variable regulada puede ser & # x0201ccoopted & # x0201d por otro sistema homeostático. Esto sucede a menudo si una variable fisiológica juega un papel en más de una función del cuerpo.

Es aquí donde puede resultar útil el concepto de homeostasis anidada o jerarquías de homeóstatos. Carpenter (7) ha señalado que existen circunstancias en las que el mantenimiento de una variable regulada en su valor de punto de ajuste es más importante para la viabilidad continua del organismo que la regulación simultánea de otra variable.

Un ejemplo de esto lo proporciona el valor de P co 2 en el ECF. Como variable del medio interno que afecta la viabilidad celular, P co 2 cumple todos los criterios para una variable regulada homeostáticamente. P co 2 en la ECF depende de la acción de los músculos respiratorios que alteran la frecuencia y profundidad de la ventilación. Como tal, P co 2 en la ECF se mantiene dentro de límites definidos por un sistema regulatorio que detecta P co 2 y opera por retroalimentación negativa. Sin embargo, como sabe cualquier estudiante de fisiología ácido-base, P co 2 en el ECF no se mantiene relativamente constante durante los ajustes compensatorios en el equilibrio ácido-base del cuerpo. Desde la perspectiva de la homeostasis H +, P co 2 funciona como una variable controlada.

En este punto, algunos de nuestros estudiantes pueden preguntar & # x0201c ¿Cuál es? ¿Es P co 2 una variable regulada o es una variable controlada? & # x0201d Nuestra respuesta es que P co 2 es & # x0201cboth, & # x0201d y podemos explicar esto usando la idea de mecanismos homeostáticos anidados. Hay circunstancias en las que es más importante mantener la concentración de H + arterial (pH) en el rango normal que mantener una P co constante. 2, quizás debido al impacto particular de la concentración de H + en la supervivencia celular. Por lo tanto, la regulación efectiva de la concentración de H + de la ECF solo puede lograrse permitiendo que P co 2 para variar drásticamente de su rango normal durante perturbaciones ácido-base. Al introducir el concepto de mecanismos homeostáticos anidados, hemos refinado cómo vemos P co 2 como variable regulada homeostáticamente, y hemos ofrecido otra forma de resolver otras situaciones & # x0201csticky & # x0201d en las que la autenticidad de una variable regulada homeostáticamente podría ser cuestionada.

Mejores prácticas en la enseñanza de la homeostasis

Dada la centralidad del concepto de homeostasis (15, 16), uno esperaría que tanto los recursos de instrucción como los instructores proporcionaran un modelo consistente del concepto y aplicaran este modelo a sistemas apropiados en los que las variables se detectan y mantienen relativamente constantes.

Sin embargo, el examen de los libros de texto de pregrado reveló que este no es el caso (17). Los problemas encontrados incluyen, pero no se limitan a, lenguaje inconsistente utilizado para describir el fenómeno y representaciones pictóricas incompletas o inadecuadas del modelo. Además, los textos a menudo definen la homeostasis al principio de la narración, pero no refuerzan la aplicación del modelo cuando se discuten mecanismos reguladores específicos (17).

Además, nuestro trabajo centrado en el desarrollo de un inventario de conceptos para la regulación homeostática (12, 13) reveló una confusión considerable entre los miembros de la facultad con respecto al concepto. Creemos que esta confusión puede deberse, en parte, al nivel de incertidumbre de la facultad sobre el concepto y el grado de complejidad de los mecanismos reguladores homeostáticos. Nuestro análisis de los puntos difíciles asociados con la homeostasis es un intento de sugerir posibles fuentes de esta confusión e indicar las formas en que los instructores pueden resolver estas dificultades.

¿Cómo mejoramos esta situación? Proponemos cinco estrategias que ayudarán a abordar el problema.

1. Los miembros de la facultad deben adoptar un conjunto estándar de términos asociados con el modelo. Existe inconsistencia dentro y entre los libros de texto con respecto a los nombres de los componentes críticos del modelo. Proponemos la terminología que se muestra en la Tabla 2 para ser utilizada al discutir los mecanismos reguladores homeostáticos.

Tabla 2.

Definiciones de términos para el papel de homeostasis

Término
Centro de control (o integrador)El centro de control consta de un detector de errores y un controlador. Recibe señales (información) de los sensores, compara la información (valor de la variable regulada) con el set point, integra información de todos los sensores y envía señales de salida (envía instrucciones o comandos) para aumentar o disminuir la actividad de los efectores. El centro de control determina e inicia la respuesta fisiológica adecuada a cualquier cambio o alteración del entorno interno.
ControladorComponente del centro de control que recibe señales (información) del detector de errores y envía señales de salida (instrucciones o comandos) para aumentar o disminuir la actividad de los efectores. El controlador inicia la respuesta fisiológica apropiada a una señal de error resultante de un cambio o perturbación de la variable regulada (detectada).
EfectorUn componente cuya actividad o acción contribuye a determinar el valor de cualquier variable del sistema. En este modelo, los efectores determinan el valor de la variable regulada (detectada).
Detector de erroresEl componente en el centro de control que determina (calcula) la diferencia entre el valor del punto de ajuste y el valor real de la variable regulada (detectada). El detector de errores genera la señal de error que se utiliza para determinar la salida del centro de control.
Señal de errorUna señal que representa la diferencia entre el valor del punto de ajuste y el valor real de la variable regulada. La señal de error es una de las señales de entrada al controlador.
Ambiente externoEl mundo exterior del cuerpo y su estado & # x0201c. & # X0201d El estado o las condiciones del mundo exterior pueden determinar el estado de muchas propiedades internas del organismo.
IntegradorEste es otro término para el centro de control. El integrador procesa la información del sensor y los componentes que determinan el punto de ajuste, determina cualquier señal de error presente y envía señales de salida (instrucciones o comandos) para aumentar o disminuir la actividad de los efectores.
Ambiente internoEl entorno interno es el compartimento de líquido extracelular. Este es el entorno en el que viven las células del cuerpo. Es lo que Bernard quiso decir con & # x0201medio interno & # x0201d.
HomeostasisEl mantenimiento de un entorno interno relativamente estable por parte de un organismo frente a un entorno externo cambiante y una actividad interna variable mediante mecanismos de retroalimentación negativa para minimizar una señal de error.
Retroalimentación negativaUn mecanismo de control donde la acción del efector (respuesta) se opone a un cambio en la variable regulada y la devuelve al valor del punto de ajuste.
Variable no regulada (variable controlada)Variable cuyo valor cambia en respuesta a la actividad efectora, pero cuyo valor no es detectado directamente por el sistema. Las variables controladas contribuyen a la determinación de la variable regulada. Por ejemplo, la frecuencia cardíaca y el volumen sistólico (variables controladas) contribuyen a determinar el gasto cardíaco (otra variable controlada) que contribuye a la presión arterial (una variable regulada).
Perturbación (alteración)Cualquier cambio en el entorno interno o externo que provoque un cambio en una variable regulada homeostáticamente. Los cambios inducidos fisiológicamente en el punto de ajuste no se considerarían una perturbación.
Variable regulada (variable detectada)Cualquier variable para la que estén presentes sensores en el sistema y cuyo valor se mantenga dentro de los límites mediante un sistema de retroalimentación negativa ante perturbaciones en el sistema. Una variable regulada es cualquier propiedad o condición del líquido extracelular que se mantiene relativamente constante en el ambiente interno para asegurar la viabilidad (supervivencia) del organismo.
RespuestaEl cambio en la función o acción de un efector.
Sensor (receptor)Un & # x0201cdevice & # x0201d que mide la magnitud de alguna variable generando una señal de salida (neuronal u hormonal) que es proporcional a la magnitud del estímulo. Un sensor es un & # x0201cdispositivo de medición. & # X0201d Para algunas variables reguladas, los sensores son células sensoriales especializadas o & # x0201creceptores sensoriales & # x0201d, por ejemplo, termorreceptores, barorreceptores u osmorreceptores. Para otras variables reguladas, los sensores son componentes celulares, por ejemplo, el receptor sensor de Ca 2+ (un receptor acoplado a proteína G que detecta el Ca 2+ sanguíneo en la glándula paratiroidea).
Punto fijoEl rango de valores (rango de magnitudes) de la variable regulada que el sistema intenta mantener. El punto de ajuste se refiere al & # x0201c valor deseado. & # X0201d El punto de ajuste generalmente no es un valor único, es un rango de valores.

Un glosario de términos utilizados al discutir el concepto central de homeostasis. Los componentes de un sistema regulado homeostáticamente (Fig. 1) se definen aquí al igual que algunos otros términos que aparecen al enseñar este concepto.

2. Se debe adoptar una representación pictórica estándar estándar del modelo cuando se explique inicialmente la homeostasis, y se debe utilizar para enmarcar la discusión del sistema específico que se está considerando. La figura 1 muestra un diagrama de este tipo.

Se podría argumentar que este diagrama puede ser difícil de entender para los estudiantes de pregrado. Ésta puede ser la razón fundamental para presentar los diagramas muy simplificados que se encuentran en la mayoría de los textos de pregrado (17). Sin embargo, debido a que estos diagramas simples no incluyen explícitamente todos los componentes de un sistema regulador homeostático (por ejemplo, un punto de ajuste), pueden ser una fuente de conceptos erróneos discutidos como puntos difíciles. Como resultado, es posible que los estudiantes no reconozcan que una característica esencial de los sistemas reguladores homeostáticos es minimizar una señal de error. En la figura 2 se muestra una representación simplificada del modelo que incluye los componentes críticos del sistema regulador. Dependiendo del contenido del curso y el nivel del estudiante, este modelo se puede expandir para agregar más niveles de complejidad según se requiera.

Representación simplificada de un sistema regulador homeostático. En esta representación se combinan varios componentes que se muestran en la Fig. 1. El lector debe consultar la Tabla 1 para encontrar la correspondencia entre los componentes de los sistemas reguladores homeostáticos fisiológicamente significativos y esta representación simplificada. Por ejemplo, los quimiosensores en los cuerpos carotídeo y el cuerpo aórtico son & # x0201c sensores, & # x0201d el tronco encefálico es & # x0201c centro de control, & # x0201d y el diafragma y otros músculos respiratorios son & # x0201cefectores & # x0201d en el sistema regulador homeostático para P o arterial 2.

3. Los miembros de la facultad deben introducir el concepto de regulación homeostática al principio del curso y continuar aplicando y, por lo tanto, reforzar el modelo a medida que se encuentran con cada nuevo sistema homeostático. Es importante seguir utilizando la terminología estándar y la representación visual recomendada en el primer y segundo punto anteriores. Los estudiantes no tienden a generalizar ni espontánea ni fácilmente su uso de los conceptos básicos. Por lo tanto, es responsabilidad del instructor crear un entorno de aprendizaje en el que se promueva este tipo de comportamiento de transferencia. Los miembros de la facultad pueden facilitar esto proporcionando múltiples oportunidades para que los estudiantes prueben y refinen su comprensión del concepto central de la regulación homeostática.

Una forma de reforzar la amplia aplicación del modelo de homeostasis y ayudar a los estudiantes a demostrar que comprenden cualquier mecanismo homeostático en particular es hacer que hagan (y respondan) una serie de preguntas sobre cada uno de los sistemas regulados homeostáticamente que encuentran (ver Tabla 3). Al hacerlo, demuestran que pueden determinar los componentes esenciales del modelo mental necesarios para definir el sistema homeostático. El esfuerzo por responder de manera completa y precisa a estas preguntas ayudará a los estudiantes a descubrir lagunas en su comprensión y revelará incertidumbres en la información de recursos que están utilizando.

Tabla 3.

Preguntas que los estudiantes deben hacer sobre cualquier sistema regulado homeostáticamente

¿Cuál es la variable regulada homeostáticamente? ¿Es una propiedad o condición del líquido extracelular?
¿Qué y dónde está el sensor?
¿Qué y dónde está el centro de control?
¿Qué y dónde están los efectores? ¿Cómo alteran sus actividades para producir una respuesta?
¿La respuesta conduce a un cambio en la variable / estímulo regulado consistente con la reducción de la señal de error (retroalimentación negativa)?

4. Los miembros de la facultad deben tener cuidado al seleccionar y explicar los ejemplos fisiológicos o modelos analógicos que eligieron para introducir e ilustrar la homeostasis en el aula. En particular, los instructores deben asegurarse de que los ejemplos representativos que utilicen no introduzcan conceptos erróneos adicionales en el pensamiento de los estudiantes. Esto es especialmente así cuando la termorregulación puede considerarse un ejemplo de regulación homeostática.

Una encuesta informal de los libros de texto de fisiología indicó que la termorregulación se usa casi universalmente como un ejemplo de un mecanismo homeostático.Las razones más probables de esta selección son que 1) existe un proceso diario, aparentemente fácil de entender, que involucra la regulación de la temperatura del aire en una habitación o edificio (es decir, el funcionamiento de un horno y un acondicionador de aire) y 2) las respuestas fisiológicas del cuerpo son comúnmente y obviamente observables y / o experimentadas por el alumno (sudoración, escalofríos y cambios en la coloración de la piel). Sin embargo, según nuestra descripción del sistema regulador homeostático típico, existen razones de peso para recomendar que se tome precaución si se utiliza la termorregulación como ejemplo inicial y representativo de homeostasis.

Lo más preocupante es que el sistema típico de calefacción y aire acondicionado de una casa funciona de una manera que es claramente diferente de los mecanismos de termorregulación humana. Los efectores en la mayoría de las casas, el horno y el acondicionador de aire, operan en forma de encendido / apagado completo. Por ejemplo, cuando la temperatura en el termostato cae por debajo del valor que se ha marcado (la temperatura del punto de ajuste), el horno se enciende y permanece encendido a la salida máxima hasta que la temperatura vuelve al valor del punto de ajuste. Sin embargo, no es así como funciona el sistema termorregulador humano o como operan otros mecanismos homeostáticos. Una posible consecuencia de usar este sistema modelo para ilustrar un sistema homeostático es la creación de una idea errónea común entre los estudiantes de que los mecanismos homeostáticos operan de manera intermitente (12, 24), un punto delicado que hemos abordado anteriormente. Los miembros de la facultad deben ayudar a los estudiantes a superar esta área problemática si optan por utilizar la termorregulación como un ejemplo representativo de homeostasis.

¿Qué alternativas se pueden recomendar? Sugerimos el control de crucero del automóvil como un análogo no biológico útil para la homeostasis. El uso del control de crucero no es una actividad infrecuente para los estudiantes y, como hemos descrito anteriormente, el funcionamiento de un control de crucero es teóricamente fácil de entender. ¿Qué tal un ejemplo fisiológico para representar la homeostasis? Una revisión de la Tabla 1 sugeriría que el sistema mediado por insulina para la regulación de la glucosa en sangre durante el estado de alimentación tiene mucho que recomendar. Los estudiantes generalmente están familiarizados con los detalles del sistema por trabajos de curso anteriores o por experiencia personal. Es probable que otros sistemas sean menos accesibles para el estudiante principiante de fisiología.

Sin embargo, los miembros de la facultad deben ser conscientes de que la regulación de la glucosa en sangre no está exenta de desventajas como ejemplo representativo de regulación homeostática. No es fácil identificar o explicar el funcionamiento del sensor de glucosa, el punto de ajuste y el controlador involucrado en la homeostasis de la glucosa. Además, probablemente no exista un análogo ampliamente conocido de la regulación de la glucosa que pueda extraerse fácilmente de la vida cotidiana. Ni los controles de crucero, los sistemas de navegación en los aviones, los autofocos en las cámaras u otros comunes, ni los ejemplos cotidianos de servomecanismos corresponden completamente al funcionamiento del sistema de retroalimentación involucrado en la regulación de la glucosa en sangre durante el estado alimentado. Esto señala las compensaciones que deben hacerse cuando se adopta un ejemplo o modelo en particular para representar la regulación homeostática. Reconociendo esto, el uso de un sistema de control fisiológico como la regulación de la glucosa durante el estado de alimentación, donde los efectores operan continuamente, parece preferible a la termorregulación como un ejemplo representativo para enseñar el concepto de regulación homeostática.

5. Cuando hable sobre la fisiología del organismo, restrinja el uso del término & # x0201regulación cromostática & # x0201d a los mecanismos relacionados con el mantenimiento de la coherencia del entorno interno (es decir, el ECF).

La adopción de estas cinco estrategias proporcionará a los estudiantes un marco coherente para construir sus propios modelos mentales de mecanismos homeostáticos específicos y les ayudará a reconocer las similitudes funcionales entre los diferentes sistemas reguladores homeostáticos a nivel del organismo. Debido a su amplia aplicación a diferentes sistemas de la biología de los organismos, la homeostasis es una de las ideas unificadoras más importantes en fisiología (15, 16). Para construir una comprensión sólida y duradera de este concepto, los estudiantes necesitan las herramientas adecuadas. Dándoles una terminología precisa y coherente y animándoles a utilizar una representación pictórica estandarizada del modelo homeostático, les permitimos construir una base adecuada para comprender los sistemas homeostáticos. Al hacer que los estudiantes sean conscientes de las posibles fuentes de confusión que rodean el concepto de homeostasis, es decir, los puntos difíciles, ayudamos a evitar que sus pensamientos se vuelvan equivocados o fuera de lugar. Al hacerlo, preparamos el escenario para que nuestros estudiantes desarrollen una comprensión precisa de una amplia gama de fenómenos fisiológicos y lleguen a un sentido integrado de la & # x0201c sabiduría del cuerpo & # x0201d.


¿Cómo controla la homeostasis la frecuencia cardíaca?

La homeostasis regula la frecuencia cardíaca y todas sus funciones internas para mantener el equilibrio. Según Biology Online, la homeostasis utiliza un sistema de retroalimentación negativa y positiva para mantener el cuerpo humano funcionando de manera eficiente.

La porción del tronco encefálico que controla la frecuencia cardíaca es la médula. La médula transmite mensajes químicos e impulsos nerviosos a través de las pirámides de la médula. Según DHearts.com, las pirámides de la médula son donde tiene lugar toda la comunicación de los músculos, órganos y otras áreas del cuerpo. Durante el ejercicio y los períodos de mucha actividad, los músculos de su cuerpo envían mensajes a la médula a través del tronco del encéfalo. Luego, la médula libera dos hormonas, epinefrina y norepinefrina, que viajan a través del tronco encefálico hasta el corazón. Una vez que esas dos hormonas llegan al nódulo sinusal, estimulan los impulsos eléctricos en los músculos del corazón y hacen que el músculo del corazón se contraiga más rápido.

Cuando deja de hacer ejercicio o disminuye su nivel de actividad, los músculos del cuerpo envían otro mensaje a la médula para que libere acetilcolina. Esta hormona ralentiza las contracciones del corazón y permite que el corazón descanse al reducir la frecuencia cardíaca.

Según Biology Online, cada latido del corazón bombea sangre y oxígeno a los músculos y órganos del cuerpo para que puedan funcionar correctamente. Mientras se distribuye oxígeno por todo el cuerpo, se elimina el dióxido de carbono para mantener limpias y saludables todas las células, órganos, músculos y sangre.


Enfermedad como desequilibrio homeostático

Si los bucles de retroalimentación positiva y negativa se ven afectados o alterados, pueden producirse un desequilibrio homeostático y las complicaciones resultantes.

Objetivos de aprendizaje

Analizar enfermedades como resultado de un desequilibrio homeostático.

Conclusiones clave

Puntos clave

  • Muchas enfermedades son el resultado de un desequilibrio homeostático, una incapacidad del cuerpo para restaurar un entorno interno funcional y estable.
  • El envejecimiento es una fuente de desequilibrio homeostático ya que los mecanismos de control de los circuitos de retroalimentación pierden su eficacia, lo que puede provocar insuficiencia cardíaca.
  • Las enfermedades que resultan de un desequilibrio homeostático incluyen la insuficiencia cardíaca y la diabetes, pero existen muchos más ejemplos.
  • La diabetes ocurre cuando el mecanismo de control de la insulina se desequilibra, ya sea porque hay una deficiencia de insulina o porque las células se han vuelto resistentes a la insulina.
  • La homeostasis es la capacidad de un sistema para regular su entorno interno manteniendo un conjunto de propiedades estable y relativamente constante, como la temperatura y el pH.

Términos clave

  • homeostasis: La capacidad de un sistema u organismo vivo para ajustar su entorno interno para mantener un equilibrio estable, como la capacidad de los animales de sangre caliente para mantener una temperatura corporal constante.
  • diabetes: Grupo de enfermedades metabólicas en las que una persona o un animal tiene un nivel alto de azúcar en sangre debido a la incapacidad de producir, metabolizar o responder a la insulina.
  • regulación del azúcar en sangre: El metabolismo de los carbohidratos y las grasas está regulado por la insulina, una hormona producida por el páncreas.

¿Qué es una enfermedad?

La enfermedad es cualquier falla de la función fisiológica normal que conduce a síntomas negativos. Si bien la enfermedad suele ser el resultado de una infección o lesión, la mayoría de las enfermedades implican la alteración de la homeostasis normal. Cualquier cosa que impida que la retroalimentación positiva o negativa funcione correctamente podría provocar una enfermedad si los mecanismos de interrupción se vuelven lo suficientemente fuertes.

El envejecimiento es un ejemplo general de enfermedad como resultado del desequilibrio homeostático. A medida que un organismo envejece, el debilitamiento de los circuitos de retroalimentación da como resultado gradualmente un entorno interno inestable. Esta falta de homeostasis aumenta el riesgo de enfermedad y es responsable de los cambios físicos asociados con el envejecimiento. La insuficiencia cardíaca es el resultado de mecanismos de retroalimentación negativa que se abruman, lo que permite que los mecanismos de retroalimentación positiva destructivos compensen los mecanismos de retroalimentación fallidos. Esto conduce a la presión arterial alta y al agrandamiento del corazón, que eventualmente se vuelve demasiado rígido para bombear sangre de manera efectiva, lo que resulta en insuficiencia cardíaca. La insuficiencia cardíaca grave puede ser fatal.

Diabetes: una enfermedad de homeostasis fallida

La diabetes, un trastorno metabólico causado por niveles excesivos de glucosa en sangre, es un ejemplo clave de enfermedad causada por fallos en la homeostasis. En circunstancias ideales, los mecanismos de control homeostático deberían evitar que se produzca este desequilibrio. Sin embargo, en algunas personas, los mecanismos no funcionan de manera suficientemente eficiente o la cantidad de glucosa en sangre es demasiado grande para ser manejada de manera efectiva. En estos casos, es necesaria la intervención médica para restaurar la homeostasis y prevenir el daño permanente a los órganos.

Regulación del azúcar en sangre

El cuerpo humano mantiene niveles constantes de glucosa durante todo el día, incluso después del ayuno. Durante períodos prolongados de ayuno, los niveles de glucosa se reducen solo muy ligeramente. La insulina transporta la glucosa al cuerpo y las células # 8217s para su uso en la función metabólica celular. Las células convierten el exceso de glucosa en una sustancia insoluble llamada glucógeno para evitar que interfiera con el metabolismo celular. Debido a que, en última instancia, esto reduce los niveles de glucosa en sangre, se secreta insulina para prevenir la hiperglucemia (niveles altos de azúcar en sangre). Otra hormona llamada glucagón realiza la función opuesta a la insulina, haciendo que las células conviertan el glucógeno en glucosa y estimulando la producción de nueva glucosa (gluconeogénesis) para elevar los niveles de azúcar en sangre. La retroalimentación negativa entre los niveles de insulina y glucagón controla la homeostasis del azúcar en sangre.

Causas de la interrupción homeostática

Las personas con diabetes tipo 1 no producen insulina debido a la destrucción autoinmune de las células productoras de insulina, mientras que las personas con diabetes tipo 2 tienen niveles crónicos de glucosa en sangre altos que causan resistencia a la insulina. Con la diabetes, la glucosa en sangre aumenta por la actividad normal del glucagón, pero la falta o resistencia a la insulina significa que los niveles de azúcar en sangre no pueden volver a la normalidad. Esto causa cambios metabólicos que resultan en síntomas de diabetes como vasos sanguíneos debilitados y micción frecuente. La diabetes normalmente se trata con inyecciones de insulina, que reemplazan la retroalimentación negativa que falta de las secreciones normales de insulina.

Homeostasis del metabolismo de la glucosa: Esta imagen ilustra el metabolismo de la glucosa en el transcurso de un día. La homeostasis puede desequilibrarse si el páncreas está demasiado estresado, lo que le impide equilibrar el metabolismo de la glucosa. Esto puede provocar diabetes.


Homeostasis

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Homeostasis, cualquier proceso de autorregulación mediante el cual los sistemas biológicos tienden a mantener la estabilidad mientras se ajustan a las condiciones óptimas para la supervivencia. Si la homeostasis tiene éxito, la vida continúa si no tiene éxito, sobreviene el desastre o la muerte. La estabilidad alcanzada es en realidad un equilibrio dinámico, en el que se produce un cambio continuo pero prevalecen condiciones relativamente uniformes.

¿Qué es la homeostasis?

La homeostasis es cualquier proceso de autorregulación mediante el cual un organismo tiende a mantener la estabilidad mientras se ajusta a las mejores condiciones para su supervivencia. Si la homeostasis tiene éxito, la vida continúa si no tiene éxito, resulta en un desastre o la muerte del organismo. La "estabilidad" que alcanza el organismo rara vez se encuentra alrededor de un punto exacto (como la temperatura idealizada del cuerpo humano de 37 ° C [98,6 ° F]). La estabilidad tiene lugar como parte de un equilibrio dinámico, que puede considerarse como una nube de valores dentro de un rango estrecho en el que se producen cambios continuos. El resultado es que prevalecen condiciones relativamente uniformes.

¿Cuál es un ejemplo de homeostasis en un ser vivo?

El control de la temperatura corporal en humanos es uno de los ejemplos más familiares de homeostasis. La temperatura corporal normal ronda los 37 ° C (98,6 ° F), pero varios factores pueden afectar este valor, incluida la exposición a los elementos, hormonas, tasa metabólica y enfermedades, lo que lleva a temperaturas corporales excesivamente altas o bajas. El hipotálamo en el cerebro regula la temperatura corporal, y la retroalimentación sobre la temperatura corporal del cuerpo se transporta a través del torrente sanguíneo al cerebro, lo que resulta en ajustes en la frecuencia respiratoria, los niveles de azúcar en sangre y la tasa metabólica. Por el contrario, la actividad reducida, la transpiración y los procesos de intercambio de calor que permiten que circule más sangre cerca de la superficie de la piel contribuyen a la pérdida de calor. La pérdida de calor se reduce mediante el aislamiento, la disminución de la circulación en la piel, la ropa, el refugio y las fuentes de calor externas.

¿Cuál es un ejemplo de homeostasis en un sistema mecánico?

Un ejemplo familiar de regulación homeostática en un sistema mecánico es la acción de un termostato, una máquina que regula la temperatura ambiente. En el centro de un termostato hay una tira bimetálica que responde a los cambios de temperatura. La tira se expande en condiciones más cálidas y se contrae en condiciones más frías para interrumpir o completar un circuito eléctrico. Cuando la habitación se enfría, el circuito se completa, el horno se enciende y la temperatura aumenta. A un nivel preestablecido, quizás 20 ° C (68 ° F), el circuito se interrumpe, el horno se detiene y no se libera calor adicional en la habitación. Con el tiempo, la temperatura desciende lentamente hasta que la habitación se enfría lo suficiente como para activar el proceso nuevamente.

¿Hay ejemplos de homeostasis en ecosistemas?

El concepto de homeostasis también se ha utilizado en estudios de ecosistemas. El ecólogo estadounidense nacido en Canadá, Robert MacArthur, propuso por primera vez en 1955 que la homeostasis en los ecosistemas resulta de la biodiversidad (la variedad de vida en un lugar determinado) y las interacciones ecológicas (depredación, competencia, descomposición, etc.) que ocurren entre las especies que viven allí. El término homeostasis ha sido utilizado por muchos ecologistas para describir la interacción de ida y vuelta que ocurre entre las diferentes partes de un ecosistema para mantener el status quo. Se pensaba que este tipo de homeostasis podría ayudar a explicar por qué persisten los bosques, pastizales u otros ecosistemas (es decir, permanecen en el mismo lugar durante largos períodos de tiempo). Desde 1955, el concepto ha cambiado para incorporar las partes no vivas del ecosistema, como rocas, suelo y agua.

Cualquier sistema en equilibrio dinámico tiende a alcanzar un estado estable, un equilibrio que resiste fuerzas externas de cambio. Cuando se perturba un sistema de este tipo, los dispositivos reguladores incorporados responden a las desviaciones para establecer un nuevo equilibrio; dicho proceso es uno de control de retroalimentación. Todos los procesos de integración y coordinación de funciones, ya sean mediados por circuitos eléctricos o por sistemas nerviosos y hormonales, son ejemplos de regulación homeostática.

Un ejemplo familiar de regulación homeostática en un sistema mecánico es la acción de un regulador de temperatura ambiente o termostato. El corazón del termostato es una tira bimetálica que responde a los cambios de temperatura completando o interrumpiendo un circuito eléctrico. Cuando la habitación se enfría, el circuito se completa, el horno funciona y la temperatura aumenta. A un nivel preestablecido, el circuito se interrumpe, el horno se detiene y la temperatura desciende. Los sistemas biológicos, de mayor complejidad, sin embargo, tienen reguladores solo muy aproximadamente comparables a tales dispositivos mecánicos. Sin embargo, los dos tipos de sistemas son similares en sus objetivos: mantener la actividad dentro de los rangos prescritos, ya sea para controlar el espesor del acero laminado o la presión dentro del sistema circulatorio.

El control de la temperatura corporal en humanos es un buen ejemplo de homeostasis en un sistema biológico. En los seres humanos, la temperatura corporal normal fluctúa alrededor del valor de 37 ° C (98,6 ° F), pero varios factores pueden afectar este valor, incluida la exposición, las hormonas, la tasa metabólica y la enfermedad, lo que lleva a temperaturas excesivamente altas o bajas. La regulación de la temperatura corporal está controlada por una región del cerebro llamada hipotálamo. La retroalimentación sobre la temperatura corporal se lleva a través del torrente sanguíneo al cerebro y da como resultado ajustes compensatorios en la frecuencia respiratoria, el nivel de azúcar en sangre y la tasa metabólica. La pérdida de calor en los seres humanos se ve favorecida por la reducción de la actividad, por la transpiración y por los mecanismos de intercambio de calor que permiten que grandes cantidades de sangre circulen cerca de la superficie de la piel. La pérdida de calor se reduce mediante el aislamiento, la disminución de la circulación en la piel y la modificación cultural, como el uso de ropa, refugio y fuentes de calor externas. El rango entre niveles altos y bajos de temperatura corporal constituye la meseta homeostática, el rango "normal" que sostiene la vida. A medida que se acerca a cualquiera de los dos extremos, la acción correctiva (a través de retroalimentación negativa) devuelve el sistema al rango normal.

El concepto de homeostasis también se ha aplicado a entornos ecológicos. Propuesto por primera vez por el ecólogo estadounidense nacido en Canadá Robert MacArthur en 1955, la homeostasis en los ecosistemas es un producto de la combinación de biodiversidad y un gran número de interacciones ecológicas que ocurren entre especies. Se pensó como un concepto que podría ayudar a explicar la estabilidad de un ecosistema, es decir, su persistencia como un tipo de ecosistema particular a lo largo del tiempo (ver resiliencia ecológica). Desde entonces, el concepto ha cambiado ligeramente para incorporar las partes abióticas (no vivas) del ecosistema; muchos ecólogos han utilizado el término para describir la reciprocidad que se produce entre las partes vivas y no vivas de un ecosistema para mantener el status quo. La hipótesis de Gaia, el modelo de la Tierra propuesto por el científico inglés James Lovelock que considera sus diversas partes vivas y no vivas como componentes de un sistema más grande u organismo único, asume que el esfuerzo colectivo de los organismos individuales contribuye a la homeostasis a nivel planetario. El aspecto de organismo único de la hipótesis de Gaia se considera controvertido porque postula que los seres vivos, en algún nivel, son impulsados ​​a trabajar en nombre de la biosfera en lugar de hacia el objetivo de su propia supervivencia.

Los editores de la Encyclopaedia Britannica Este artículo fue revisado y actualizado más recientemente por John P. Rafferty, Editor.


Ver el vídeo: Homeostasis and NegativePositive Feedback (Febrero 2023).