33.3: 动态平衡

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培养技能

定义动态平衡
描述影响动态平衡的因素
讨论动态平衡中使用的正反馈和负反馈机制
描述吸热和外热动物的体温调节

动物器官和器官系统通过一个称为稳态（“稳态”）的过程不断适应内部和外部变化。这些变化可能是血液中的葡萄糖或钙水平或外部温度。动态@@ 平衡意味着维持体内的动态平衡。它是动态的，因为它不断适应人体系统遇到的变化。这是平衡的，因为身体功能保持在特定的范围内。即使是显然不活跃的动物也能保持这种稳态平衡。

稳态过程

稳态的目标是在称为设定点的点或值周围保持平衡。虽然与设定点相比会有正常的波动，但人体的系统通常会尝试回到这个点。内部或外部环境的变化称为刺激，由受体检测到；系统的反应是将偏差参数调整到设定点。例如，如果身体变得太热，则进行调整以冷却动物。如果饭后血糖升高，则进行调整以降低血糖水平，方法是将营养素输送到需要它的组织中或储存起来供以后使用。

控制动态平衡

当动物的环境发生变化时，必须进行调整。受体感知环境的变化，然后向控制中心（在大多数情况下是大脑）发送信号，控制中心反过来会产生向效应器发出信号的反应。效应器是肌肉（收缩或放松）或分泌的腺体。稳态由负反馈回路维持。正反馈循环实际上使生物体进一步脱离稳态，但可能是生命发生所必需的。动态平衡由哺乳动物的神经和内分泌系统控制。

负面反馈机制

任何改变刺激方向的稳态过程都是负反馈循环。它可能会增加或减少刺激，但不允许刺激像受体感觉到刺激之前那样持续下去。换句话说，如果一个等级太高，身体会做一些事情来降低它；相反，如果一个等级太低，身体会做一些事情来使它上升。因此，“负面反馈” 一词。动物维持血糖水平就是一个例子。动物进食后，血糖水平升高。这是由神经系统感知的。胰腺中的特殊细胞可以感知这一点，激素胰岛素由内分泌系统释放。胰岛素会导致血糖水平降低，这在负反馈系统中是预期的，如图所示\(\PageIndex{1}\)。但是，如果动物没有进食而血糖水平降低，则胰腺中的另一组细胞就会感觉到这一点，胰高血糖素激素会被释放，从而导致血糖水平升高。这仍然是一个负反馈循环，但不符合使用 “负面” 一词所预期的方向。反馈回路导致血钙增加的另一个例子是血钙的控制。如果钙水平降低，甲状旁腺中的特殊细胞会感觉到这种情况并释放甲状旁腺激素（PTH），从而增加肠道和肾脏对钙的吸收，并可能导致骨骼分解以释放钙。 PTH 的作用是提高血液中该元素的水平。负反馈回路是动态平衡中使用的主要机制。

插图显示了对吃饭的反应。食用和消化食物时，血糖水平升高。由于葡萄糖浓度升高，胰腺会将胰岛素分泌到血液中。由于血液中胰岛素水平升高，葡萄糖被运送到许多人体细胞中。肝细胞将葡萄糖作为糖原储存。结果，血糖水平下降。由于葡萄糖浓度降低，胰腺停止分泌胰岛素。 — 图\(\PageIndex{1}\)：血糖水平由负反馈回路控制。（来源：乔恩·沙利文对作品的修改）

正反馈回路

正反馈回路维持刺激的方向，可能会加速刺激的方向。动物体内很少有正反馈回路的例子，但在导致血液凝固或凝血的一系列化学反应中可以找到一个例子。当一个凝血因子被激活时，它会按顺序激活下一个因子，直到形成纤维蛋白凝块。方向保持不变，没有改变，所以这是积极的反馈。正反馈的另一个例子是分娩时子宫收缩，如图所示\(\PageIndex{2}\)。内分泌系统产生的催产素激素刺激子宫收缩。这会产生神经系统感觉到的疼痛。与其降低催产素并使疼痛消退，反而会产生更多的催产素，直到收缩强度足以分娩。

出生前，宝宝向子宫颈推动，导致子宫颈伸展。子宫颈拉伸会导致神经冲动传递到大脑。结果，大脑刺激垂体释放催产素。催产素导致子宫收缩。结果，宝宝在积极的反馈循环中向子宫颈推动。 — 图\(\PageIndex{2}\)：人类婴儿的出生是积极反馈的结果。

练习

说明以下每个过程是由正反馈回路还是负反馈回路调节。

一个人吃了一顿大餐后会感到饱足。
血液中有大量的红细胞。因此，促红细胞生成素（一种刺激新红细胞生成的激素）不再从肾脏中释放。

回答: 这两个过程都是负反馈循环的结果。负反馈回路往往使系统保持平衡，比正反馈回路更为常见。

设定点

可以调整系统的设定点。发生这种情况时，反馈回路会保持新的设置。血压就是一个例子：随着时间的推移，血压的正常值或设定值可能会随着血压的持续升高而升高。人体不再将海拔识别为异常，也不会尝试返回到较低的设定点。结果是维持血压升高，这可能会对身体产生有害影响。药物可以降低血压并将系统中的设定值降低到更健康的水平。这称为改变反馈回路中设定点的过程。

可以对一组人体器官系统进行更改，以便在另一个系统中保持设定点。这称为适应环境。例如，当动物迁移到比以前更高的海拔高度时，就会发生这种情况。为了适应新高度的较低氧气水平，人体会增加血液中循环的红细胞数量，以确保向组织输送足够的氧气。适应环境的另一个例子是动物的外套会发生季节性变化：冬季较重的外套可确保足够的保温性，夏季的轻质外套有助于防止体温升至有害水平。

链接到学习

反馈机制可以从在赛道上驾驶赛车的角度来理解：观看关于正反馈和负面反馈循环的简短视频课程。

动态平衡：体温调节

体温会影响身体活动。通常，随着体温升高，酶活性也会升高。温度每升高十摄氏度，酶活性就会翻一番，达到一定水平。 ^{人体蛋白质，包括酶，在高温下开始变性并失去功能（哺乳动物约为50摄氏度）。} 除少数例外，温度每下降十摄氏度，酶活性就会降低一半，直至冰点。有些鱼可以承受冰冻的固体，并在解冻后恢复正常。

链接到学习

观看 Discovery Channel 关于体温调节的视频，看看各种动物体温调节过程的插图。

吸热和外热

动物可以分为两组：有些动物在面对不同的环境温度时保持恒定的体温，而另一些动物的体温与环境相同，因此随环境而变化。不能控制体温的动物就是外热。这个群体被称为冷血，但该术语可能不适用于沙漠中体温非常温暖的动物。与依靠外部温度来设定体温的外热形成鲜明对比的是，poikilotherms 是内部温度不断变化的动物。在环境变化面前保持恒定体温的动物被称为恒温动物。 Endotherms 是依赖内部来源来获取体温但可能表现出极端温度的动物。这些动物能够在较低的温度下维持一定的活性水平，而由于酶的活性水平不同，外热无法做到这一点。

热量可以通过四种机制在动物与其环境之间交换：辐射、蒸发、对流和传导（图\(\PageIndex{3}\)）。辐射是电磁 “热” 波的发射。热量以这种方式来自太阳，并以同样的方式从干燥的皮肤中散发出来。在蒸发过程中，可以用液体去除表面的热量。当哺乳动物出汗时，就会发生这种情况。当空气经过干燥皮肤时，空气的对流电流会去除干燥皮肤表面的热量。在与表面直接接触的过程中，热量将从一个表面传导到另一个表面，例如动物在温暖的岩石上休息。

照片 A 显示了太阳。照片B显示了一个满头大汗的人。照片 C 显示了一只狮子的鬃毛在风中吹来。照片 D 显示一个人拿着热气腾腾的热饮。 — 图\(\PageIndex{3}\)：可以通过四种机制交换热量：（a）辐射、（b）蒸发、（c）对流或（d）传导。（来源 b：修改 “Kullez” /Flickr 的作品；来源 c：查德·罗森塔尔对作品的修改；来源 d：“stacey.d” /Flickr 对作品的修改）

散热和散热

动物以各种方式保存或散热。在某些气候下，吸热动物具有某种形式的隔热物，例如毛皮、脂肪、羽毛或其某种组合。毛皮或羽毛较厚的动物会在皮肤和内脏器官之间形成一层隔热的空气。北极熊和海豹在低于冰点的环境中生活和游泳，同时保持恒定、温暖的体温。例如，北极狐在寒冷的天气里 curl 缩起来睡觉时会使用蓬松的尾巴作为额外的隔热材料。哺乳动物会因发抖和肌肉活动增加而产生残留影响：arrector pili 肌肉会导致 “鸡皮疙挛”，在个体寒冷时导致小毛发直立；这具有提高体温的预期效果。哺乳动物使用多层脂肪来达到同样的目的。大量体内脂肪的流失会损害个人节约热量的能力。

吸热器使用其循环系统来帮助维持体温。血管舒张为体表带来更多的血液和热量，促进辐射和蒸发热量流失，这有助于冷却身体。血管收缩会减少外周血管中的血液流动，迫使血液流向核心和那里发现的重要器官，并保存热量。有些动物能够适应循环系统，使它们能够将热量从动脉传递到静脉，使返回心脏的血液变暖。这被称为逆流热交换；它可以防止冷静脉血液冷却心脏和其他内脏器官。在某些动物身上，可以关闭这种适应措施，以防止内脏器官过热。逆流适应性存在于许多动物身上，包括海豚、鲨鱼、骨鱼、蜜蜂和蜂鸟。相比之下，类似的改编可以在需要时帮助冷却吸热，例如海豚吸虫和大象的耳朵。

一些体外热动物利用行为的变化来帮助调节体温。例如，沙漠外热动物可能只是在一天中最热的沙漠中寻找凉爽的地方，以免过热。在寒冷的沙漠之夜，同样的动物可能会爬上岩石来捕捉热量。有些动物寻找水来帮助蒸发来冷却它们，就像爬行动物一样。其他外热利用集体活动，例如蜜蜂的活动来温暖蜂巢以在冬天生存。

许多动物，尤其是哺乳动物，使用代谢余热作为热源。当肌肉收缩时，用于肌肉动作的大部分ATP能量都是浪费的能量，这些能量转化为热量。严重的感冒会引起颤抖的反射，为身体产生热量。许多物种也有一种叫做棕色脂肪的脂肪组织，专门产生热量。

体温调节的神经控制

神经系统对体温调节很重要，如图所示\(\PageIndex{4}\)。稳态和温度控制过程以晚期动物大脑的下丘脑为中心。

流程图显示如何维持正常体温。如果体温升高，血管扩张，导致热量流失到环境中。汗腺分泌液体。随着这种液体的蒸发，热量会从体内流失。结果，体温降至正常体温。如果体温下降，血管会收缩以保持热量。汗腺不分泌液体。颤抖（肌肉不自主收缩）会释放热量，使身体变暖。热量得以保留，体温升高至正常。 — 图\(\PageIndex{4}\)：人体能够根据来自神经系统的信号调节温度。

练习

当细菌被白细胞破坏时，热原会释放到血液中。 Pyrogens 会将人体的恒温器重置到更高的温度，从而导致发烧。热原如何导致体温升高？

回答: 热原会导致血管收缩、引起颤抖和阻止汗腺分泌液体，从而提高体温。

下丘脑通过反射维持体温的设定点，当身体过热时，反射会导致血管舒张和出汗，或者在身体太冷时导致血管收缩和发抖。它对来自人体的化学物质有反应。当细菌被吞噬白细胞破坏时，称为内源性热原的化学物质会释放到血液中。这些热原循环到下丘脑并重置恒温器。这会使人体温度升高，通常称为发烧。体温升高会使铁得以保存，从而减少细菌所需的营养。体温的增加还会增加动物酶和保护细胞的活性，同时抑制入侵微生物的酶和活性。最后，热量本身也可能杀死病原体。曾经被认为是感染并发症的发烧现在被认为是一种正常的防御机制。

摘要

动态平衡是一种在人体组织和器官中维持的动态平衡。它是动态的，因为它不断适应系统遇到的变化。它之所以处于平衡状态，是因为身体机能保持在正常范围内，并且在过程的设定点周围会有一些波动。

词汇表

适应环境: 因环境变化而改变身体系统

改动: 稳态系统中设定点的变化

动态平衡: 动态平衡维持适当的身体机能

负反馈循环: 反馈给控制机制，该机制会增加或减少刺激，而不是维持刺激

正反馈回路: 反馈到延续刺激方向的控制机制

设定点: 动态平衡中的中点或目标点

温度调节: 调节体温