33.3: التوازن
- Page ID
- 196303
المهارات اللازمة للتطوير
- تعريف التوازن
- وصف العوامل التي تؤثر على التوازن
- ناقش آليات التغذية الراجعة الإيجابية والسلبية المستخدمة في التوازن
- وصف التنظيم الحراري للحيوانات الماصة للحرارة والحرارة الخارجية
تتكيف أجهزة الحيوانات وأنظمة الأعضاء باستمرار مع التغيرات الداخلية والخارجية من خلال عملية تسمى التوازن («الحالة المستقرة»). قد تكون هذه التغييرات في مستوى الجلوكوز أو الكالسيوم في الدم أو في درجات الحرارة الخارجية. التوازن يعني الحفاظ على التوازن الديناميكي في الجسم. إنها ديناميكية لأنها تتكيف باستمرار مع التغييرات التي تواجهها أنظمة الجسم. إنه توازن لأن وظائف الجسم يتم الاحتفاظ بها ضمن نطاقات محددة. حتى الحيوان الذي يبدو غير نشط يحافظ على هذا التوازن المتماثل.
عملية الاستواء
الهدف من التوازن هو الحفاظ على التوازن حول نقطة أو قيمة تسمى نقطة محددة. في حين أن هناك تقلبات طبيعية من النقطة المحددة، ستحاول أنظمة الجسم عادةً العودة إلى هذه النقطة. يسمى التغيير في البيئة الداخلية أو الخارجية بالحافز ويتم اكتشافه بواسطة المستقبل؛ استجابة النظام هي ضبط معامل الانحراف باتجاه النقطة المحددة. على سبيل المثال، إذا أصبح الجسم دافئًا جدًا، يتم إجراء تعديلات لتبريد الحيوان. إذا ارتفع مستوى الجلوكوز في الدم بعد تناول الوجبة، يتم إجراء تعديلات لخفض مستوى الجلوكوز في الدم عن طريق إدخال المغذيات إلى الأنسجة التي تحتاجها أو لتخزينها لاستخدامها لاحقًا.
السيطرة على التوازن
عند حدوث تغيير في بيئة الحيوان، يجب إجراء التعديل. يستشعر المستقبل التغيير في البيئة، ثم يرسل إشارة إلى مركز التحكم (في معظم الحالات، الدماغ) والذي بدوره يولد استجابة يتم إرسالها إلى المستجيب. المستجيب هو عضلة (تنقبض أو ترتاح) أو غدة تفرز. يتم الحفاظ على التوازن من خلال حلقات التغذية الراجعة السلبية. في الواقع، تدفع حلقات التغذية الراجعة الإيجابية الكائن الحي بعيدًا عن التوازن، ولكنها قد تكون ضرورية لحدوث الحياة. يتم التحكم في التوازن عن طريق الجهاز العصبي والغدد الصماء للثدييات.
آليات التغذية الراجعة السلبية
أي عملية توازنية تغير اتجاه التحفيز هي حلقة ردود فعل سلبية. قد يؤدي ذلك إلى زيادة التحفيز أو تقليله، ولكن لا يُسمح للحافز بالاستمرار كما كان قبل أن يستشعره المستقبل. بمعنى آخر، إذا كان المستوى مرتفعًا جدًا، فإن الجسم يفعل شيئًا لخفضه، وعلى العكس من ذلك، إذا كان المستوى منخفضًا جدًا، فإن الجسم يفعل شيئًا لجعله يرتفع. ومن هنا جاء مصطلح ردود الفعل السلبية. ومن الأمثلة على ذلك صيانة الحيوانات لمستويات الجلوكوز في الدم. عندما يأكل الحيوان، ترتفع مستويات الجلوكوز في الدم. يتم استشعار هذا من قبل الجهاز العصبي. تشعر الخلايا المتخصصة في البنكرياس بذلك، ويتم إطلاق هرمون الأنسولين بواسطة نظام الغدد الصماء. يتسبب الأنسولين في انخفاض مستويات الجلوكوز في الدم، كما هو متوقع في نظام التغذية الراجعة السلبية، كما هو موضح في الشكل\(\PageIndex{1}\). ومع ذلك، إذا لم يأكل الحيوان وانخفضت مستويات الجلوكوز في الدم، يتم استشعار ذلك في مجموعة أخرى من الخلايا في البنكرياس، ويتم إطلاق هرمون الجلوكاجون مما يؤدي إلى زيادة مستويات الجلوكوز. لا تزال هذه حلقة ردود فعل سلبية، ولكن ليس في الاتجاه المتوقع من خلال استخدام مصطلح «سلبي». مثال آخر على الزيادة نتيجة لحلقة التغذية الراجعة هو التحكم في الكالسيوم في الدم. إذا انخفضت مستويات الكالسيوم، فإن الخلايا المتخصصة في الغدة فوق الدرقية تشعر بذلك وتطلق هرمون الغدة الدرقية (PTH)، مما يتسبب في زيادة امتصاص الكالسيوم من خلال الأمعاء والكلى، وربما انهيار العظام من أجل تحرير الكالسيوم. تتمثل تأثيرات PTH في رفع مستويات الدم للعنصر. حلقات التغذية الراجعة السلبية هي الآلية السائدة المستخدمة في التوازن.
حلقة التغذية الراجعة الإيجابية
تحافظ حلقة التغذية الراجعة الإيجابية على اتجاه الحافز، وربما تسرعه. توجد أمثلة قليلة على حلقات التغذية الراجعة الإيجابية في أجسام الحيوانات، ولكن توجد واحدة في سلسلة التفاعلات الكيميائية التي تؤدي إلى تخثر الدم أو التخثر. عندما يتم تنشيط أحد عوامل التخثر، فإنه ينشط العامل التالي بالتسلسل حتى يتم تحقيق جلطة الفيبرين. يتم الحفاظ على الاتجاه، وليس تغييره، لذلك هذه ردود فعل إيجابية. مثال آخر على ردود الفعل الإيجابية هو تقلصات الرحم أثناء الولادة، كما هو موضح في الشكل\(\PageIndex{2}\). يحفز هرمون الأوكسيتوسين، الذي يصنعه نظام الغدد الصماء، تقلص الرحم. ينتج عن ذلك ألمًا يشعر به الجهاز العصبي. بدلاً من خفض الأوكسيتوسين والتسبب في تهدئة الألم، يتم إنتاج المزيد من الأوكسيتوسين حتى تصبح الانقباضات قوية بما يكفي لإنتاج الولادة.
التمارين الرياضية
حدد ما إذا كانت كل عملية من العمليات التالية منظمة من خلال حلقة تغذية راجعة إيجابية أو حلقة ملاحظات سلبية.
- يشعر الشخص بالشبع بعد تناول وجبة كبيرة.
- يحتوي الدم على الكثير من خلايا الدم الحمراء. ونتيجة لذلك، لم يعد الإريثروبويتين، وهو هرمون يحفز إنتاج خلايا الدم الحمراء الجديدة، يخرج من الكلية.
- إجابة
-
كلتا العمليتين هي نتيجة حلقات التغذية الراجعة السلبية. تعد حلقات التغذية الراجعة السلبية، التي تميل إلى الحفاظ على توازن النظام، أكثر شيوعًا من حلقات التغذية الراجعة الإيجابية.
حدد النقطة
من الممكن ضبط نقطة ضبط النظام. عند حدوث ذلك، تعمل حلقة الملاحظات على الحفاظ على الإعداد الجديد. ومن الأمثلة على ذلك ضغط الدم: مع مرور الوقت، يمكن أن تزداد النقطة الطبيعية أو المحددة لضغط الدم نتيجة للزيادات المستمرة في ضغط الدم. لم يعد الجسم يتعرف على الارتفاع باعتباره غير طبيعي ولم يتم إجراء أي محاولة للعودة إلى النقطة المحددة الدنيا. والنتيجة هي الحفاظ على ارتفاع ضغط الدم الذي يمكن أن يكون له آثار ضارة على الجسم. يمكن للأدوية أن تخفض ضغط الدم وتخفض النقطة المحددة في النظام إلى مستوى صحي أكثر. وهذا ما يسمى بعملية تغيير نقطة الضبط في حلقة التغذية الراجعة.
يمكن إجراء تغييرات في مجموعة من أجهزة أعضاء الجسم من أجل الحفاظ على نقطة محددة في نظام آخر. هذا يسمى التأقلم. يحدث هذا، على سبيل المثال، عندما يهاجر حيوان إلى ارتفاع أعلى مما اعتاد عليه. من أجل التكيف مع مستويات الأكسجين المنخفضة في الارتفاع الجديد، يزيد الجسم من عدد خلايا الدم الحمراء المنتشرة في الدم لضمان توصيل الأكسجين الكافي إلى الأنسجة. مثال آخر للتأقلم هو الحيوانات التي لديها تغيرات موسمية في معاطفها: معطف أثقل في الشتاء يضمن الاحتفاظ الكافي بالحرارة، ويساعد معطف خفيف في الصيف في الحفاظ على درجة حرارة الجسم من الارتفاع إلى مستويات ضارة.
رابط إلى التعلم
يمكن فهم آليات التغذية الراجعة من حيث قيادة سيارة سباق على طول المسار: شاهد درس فيديو قصير حول حلقات التغذية الراجعة الإيجابية والسلبية.
التوازن: التنظيم الحراري
تؤثر درجة حرارة الجسم على أنشطة الجسم. بشكل عام، مع ارتفاع درجة حرارة الجسم، يرتفع نشاط الإنزيم أيضًا. مقابل كل ارتفاع بمقدار عشر درجات مئوية في درجة الحرارة، يتضاعف نشاط الإنزيم، حتى نقطة واحدة. تبدأ بروتينات الجسم، بما في ذلك الإنزيمات، في تغيير طبيعتها وفقدان وظيفتها مع ارتفاع درجة الحرارة (حوالي 50 درجة مئوية للثدييات). سينخفض نشاط الإنزيم بمقدار النصف لكل انخفاض بمقدار عشر درجات مئوية في درجة الحرارة، إلى درجة التجمد، مع بعض الاستثناءات. يمكن لبعض الأسماك تحمل التجمد والعودة إلى وضعها الطبيعي مع ذوبان الجليد.
رابط إلى التعلم
شاهد فيديو قناة Discovery Channel هذا حول التنظيم الحراري لمشاهدة الرسوم التوضيحية لهذه العملية في مجموعة متنوعة من الحيوانات.
ماص الحرارة والحرارة الخارجية
يمكن تقسيم الحيوانات إلى مجموعتين: بعضها يحافظ على درجة حرارة ثابتة للجسم في مواجهة درجات الحرارة البيئية المختلفة، في حين أن البعض الآخر لديه درجة حرارة الجسم التي هي نفس بيئتها وبالتالي تختلف مع البيئة. الحيوانات التي لا تتحكم في درجة حرارة أجسامها هي الحرارة الخارجية. يُطلق على هذه المجموعة اسم الدم البارد، ولكن قد لا ينطبق المصطلح على حيوان في الصحراء بدرجة حرارة جسم دافئة جدًا. على عكس درجات الحرارة الخارجية، التي تعتمد على درجات الحرارة الخارجية لضبط درجات حرارة أجسامها، فإن poikilotherms هي حيوانات ذات درجات حرارة داخلية متفاوتة باستمرار. يُطلق على الحيوان الذي يحافظ على درجة حرارة ثابتة للجسم في مواجهة التغيرات البيئية اسم المثلية. المواد الماصة للحرارة هي حيوانات تعتمد على المصادر الداخلية لدرجة حرارة الجسم ولكنها يمكن أن تظهر درجات حرارة قصوى. هذه الحيوانات قادرة على الحفاظ على مستوى النشاط في درجة حرارة أكثر برودة، وهو ما لا يمكن أن تفعله الحرارة الخارجية بسبب اختلاف مستويات نشاط الإنزيم.
يمكن تبادل الحرارة بين الحيوان وبيئته من خلال أربع آليات: الإشعاع والتبخر والحمل الحراري والتوصيل (الشكل\(\PageIndex{3}\)). الإشعاع هو انبعاث موجات «الحرارة» الكهرومغناطيسية. تأتي الحرارة من الشمس بهذه الطريقة وتشع من الجلد الجاف بنفس الطريقة. يمكن إزالة الحرارة بسائل من السطح أثناء التبخر. يحدث هذا عندما تتعرق الثدييات. تعمل التيارات الحرارية للهواء على إزالة الحرارة من سطح الجلد الجاف أثناء مرور الهواء فوقه. سيتم نقل الحرارة من سطح إلى آخر أثناء الاتصال المباشر بالأسطح، مثل حيوان يستريح على صخرة دافئة.
الحفاظ على الحرارة والتبديد
تحافظ الحيوانات على الحرارة أو تبديدها بطرق متنوعة. في بعض المناخات، تتمتع الحيوانات الماصة للحرارة ببعض أشكال العزل، مثل الفراء أو الدهون أو الريش أو مزيج من ذلك. تخلق الحيوانات ذات الفراء السميك أو الريش طبقة عازلة من الهواء بين بشرتها وأعضائها الداخلية. تعيش الدببة والفقمات القطبية وتسبح في بيئة تحت التجمد ومع ذلك تحافظ على درجة حرارة ثابتة ودافئة للجسم. يستخدم الثعلب القطبي، على سبيل المثال، ذيله الرقيق كعزل إضافي عندما يتجعد للنوم في الطقس البارد. للثدييات تأثير متبقٍ من الارتعاش وزيادة نشاط العضلات: تتسبب عضلات العمود الفقري في «قشعريرة الأوز»، مما يتسبب في وقوف الشعيرات الصغيرة عندما يكون الفرد باردًا؛ وهذا له التأثير المقصود المتمثل في زيادة درجة حرارة الجسم. تستخدم الثدييات طبقات من الدهون لتحقيق نفس الغاية. سيؤدي فقدان كميات كبيرة من الدهون في الجسم إلى الإضرار بقدرة الفرد على الحفاظ على الحرارة.
تستخدم مواد امتصاص الحرارة أنظمة الدورة الدموية للمساعدة في الحفاظ على درجة حرارة الجسم. يؤدي توسع الأوعية إلى جلب المزيد من الدم والحرارة إلى سطح الجسم، مما يسهل الإشعاع وفقدان الحرارة التبخرية، مما يساعد على تبريد الجسم. يقلل تضيق الأوعية من تدفق الدم في الأوعية الدموية الطرفية، مما يدفع الدم نحو القلب والأعضاء الحيوية الموجودة هناك، ويحافظ على الحرارة. تتكيف بعض الحيوانات مع نظام الدورة الدموية الذي يمكنها من نقل الحرارة من الشرايين إلى الأوردة، مما يؤدي إلى ارتفاع درجة حرارة الدم العائد إلى القلب. وهذا ما يسمى بالتبادل الحراري للتيار المعاكس؛ فهو يمنع الدم الوريدي البارد من تبريد القلب والأعضاء الداخلية الأخرى. يمكن إيقاف هذا التكيف في بعض الحيوانات لمنع ارتفاع درجة حرارة الأعضاء الداخلية. تم العثور على تكيف التيار المعاكس في العديد من الحيوانات، بما في ذلك الدلافين وأسماك القرش والأسماك العظمية والنحل والطيور الطنانة. في المقابل، يمكن أن تساعد التكيفات المماثلة في تبريد ماصات الحرارة عند الحاجة، مثل ذباب الدلافين وآذان الفيل.
تستخدم بعض حيوانات الحرارة الخارجية تغييرات في سلوكها للمساعدة في تنظيم درجة حرارة الجسم. على سبيل المثال، قد يبحث الحيوان الصحراوي ذو الحرارة الخارجية ببساطة عن مناطق أكثر برودة خلال الجزء الأكثر سخونة من اليوم في الصحراء لتجنب الدفء الشديد. قد تتسلق نفس الحيوانات الصخور لالتقاط الحرارة خلال ليلة صحراوية باردة. تبحث بعض الحيوانات عن الماء للمساعدة في التبخر في تبريدها، كما هو الحال مع الزواحف. تستخدم الحرارة الخارجية الأخرى نشاطًا جماعيًا مثل نشاط النحل لتدفئة الخلية للبقاء على قيد الحياة في فصل الشتاء.
تستخدم العديد من الحيوانات، وخاصة الثدييات، حرارة النفايات الأيضية كمصدر للحرارة. عندما تنقبض العضلات، فإن معظم الطاقة من ATP المستخدمة في حركات العضلات هي طاقة مهدرة تترجم إلى حرارة. يؤدي البرد الشديد إلى رد فعل مرتجف يولد الحرارة للجسم. تحتوي العديد من الأنواع أيضًا على نوع من الأنسجة الدهنية يسمى الدهون البنية التي تتخصص في توليد الحرارة.
التحكم العصبي في التنظيم الحراري
الجهاز العصبي مهم للتنظيم الحراري، كما هو موضح في الشكل\(\PageIndex{4}\). تتركز عمليات التوازن والتحكم في درجة الحرارة في منطقة ما تحت المهاد في دماغ الحيوان المتقدم.
التمارين الرياضية
عندما يتم تدمير البكتيريا بواسطة كريات الدم البيضاء، يتم إطلاق البيروجينات في الدم. تقوم البيروجينات بإعادة ضبط ترموستات الجسم إلى درجة حرارة أعلى، مما يؤدي إلى الحمى. كيف يمكن أن تتسبب البيروجينات في ارتفاع درجة حرارة الجسم؟
- إجابة
-
تزيد البيروجينات من درجة حرارة الجسم عن طريق التسبب في انقباض الأوعية الدموية، وتحفيز الارتعاش، ومنع الغدد العرقية من إفراز السوائل.
يحافظ المهاد على النقطة المحددة لدرجة حرارة الجسم من خلال ردود الفعل التي تسبب توسع الأوعية والتعرق عندما يكون الجسم دافئًا جدًا، أو تضيق الأوعية والارتعاش عندما يكون الجسم باردًا جدًا. يستجيب للمواد الكيميائية من الجسم. عندما يتم تدمير البكتيريا بواسطة كريات الدم البيضاء البلعمية، يتم إطلاق مواد كيميائية تسمى البيروجينات الذاتية في الدم. تنتشر هذه البيروجينات إلى منطقة ما تحت المهاد وتعيد ضبط منظم الحرارة. هذا يسمح لدرجة حرارة الجسم بزيادة ما يسمى عادة بالحمى. تؤدي الزيادة في درجة حرارة الجسم إلى الحفاظ على الحديد، مما يقلل من العناصر الغذائية التي تحتاجها البكتيريا. تؤدي زيادة حرارة الجسم أيضًا إلى زيادة نشاط إنزيمات الحيوان والخلايا الواقية مع تثبيط الإنزيمات ونشاط الكائنات الحية الدقيقة الغازية. أخيرًا، قد تقتل الحرارة نفسها أيضًا العامل الممرض. من المفهوم الآن أن الحمى التي كان يُعتقد أنها من مضاعفات العدوى هي آلية دفاع طبيعية.
ملخص
التوازن هو توازن ديناميكي يتم الحفاظ عليه في أنسجة الجسم والأعضاء. إنها ديناميكية لأنها تتكيف باستمرار مع التغييرات التي تواجهها الأنظمة. إنه في حالة توازن لأن وظائف الجسم يتم الاحتفاظ بها ضمن النطاق الطبيعي، مع بعض التقلبات حول نقطة محددة للعمليات.
مسرد المصطلحات
- أقلمة
- تغيير في نظام الجسم استجابة للتغير البيئي
- تغيير
- تغيير نقطة التحديد في نظام التوازن
- التوازن
- توازن ديناميكي يحافظ على وظائف الجسم المناسبة
- حلقة ردود فعل سلبية
- التغذية الراجعة لآلية التحكم التي تزيد أو تنقص الحافز بدلاً من الحفاظ عليه
- حلقة ردود فعل إيجابية
- ردود الفعل على آلية التحكم التي تواصل اتجاه التحفيز
- نقطة محددة
- نقطة الوسط أو النقطة المستهدفة في التوازن
- التنظيم الحراري
- تنظيم درجة حرارة الجسم