HOMEOSTASIS DEFINIERT

Eines der charakteristischen Merkmale von Warmblütern wie dem Menschen ist die Fähigkeit, eine Körperkerntemperatur aufrechtzuerhalten, die sich von der Umgebungstemperatur unterscheidet. Die durchschnittliche Körpertemperatur des Menschen liegt bei 37°C (98,6°F), und der Körper wendet eine beträchtliche Menge an Energie auf, um sicherzustellen, dass diese Temperatur relativ konstant bleibt; wir nennen dies den Sollwert der Körpertemperatur. Überall im Körper gibt es unterschiedliche Sollwerte für verschiedene Systeme. Der Sollwert für Glukose (Blutzucker) liegt zum Beispiel bei 85 mg/dl und der Sollwert für Natrium bei 142 mmol/L. Der Körper nutzt eine Vielzahl von Organen und Organsystemen, um sicherzustellen, dass bestimmte Variablen so nahe wie möglich an ihrem Sollwert oder zumindest innerhalb eines normalen Bereichs bleiben. So verfügt der menschliche Körper beispielsweise über eine bemerkenswerte Fähigkeit, die Körpertemperatur auch unter Umgebungsbedingungen, die zwischen 68°F und 130°F liegen, ohne die Hilfe von Kleidung auf einem Wert zwischen 98°F und 100°F zu halten. Wie bleibt der Körper bei 68°F warm und bei 130°F kühl?

Um warm zu bleiben, kann der Körper den Stoffwechsel erhöhen, er kann den Blutfluss von der Oberfläche wegleiten oder die Muskeln zum Zittern bringen. Alle diese Mechanismen erzeugen Wärme. Natürlich können wir auch unsere höheren kognitiven Fähigkeiten nutzen und uns etwas anziehen. Um kühl zu bleiben, gibt der Körper Wassertröpfchen auf der Hautoberfläche ab, die Schweiß bilden und beim Verdunsten des Wassers die Wärme ableiten. Am interessantesten ist vielleicht, dass Schwitzen, Frösteln und die Umleitung des Blutflusses automatisch ablaufen, d. h. wir steuern sie nicht bewusst, sie scheinen einfach zu passieren. Diese automatische Eigenschaft des menschlichen Körpers, Variablen zu regulieren, wurde von Claude Bernard im Jahr 1854 beobachtet und definiert. Im Jahr 1926 nannte Walter Cannon diesen Prozess Homöostase. Homöostase ist, wie viele wissenschaftliche Begriffe, griechischen Ursprungs, wobei homeo „ähnlich oder gleich“ und stasis „stillstehen oder gleich bleiben“ bedeutet. Homöostase ist also per Definition die Fähigkeit des Körpers, relativ stabile innere Bedingungen (innere Umgebung) aufrechtzuerhalten, obwohl sich die Außenwelt (äußere Umgebung) verändert. Wie noch zu erläutern sein wird, unterliegt der menschliche Körper einer Vielzahl hochkomplexer Interaktionen, um die Homöostase aufrechtzuerhalten, indem er sicherstellt, dass die Systeme so funktionieren, dass die verschiedenen Variablen innerhalb ihrer normalen Bereiche bleiben. Diese Wechselwirkungen sind für das Überleben des Körpers unerlässlich. Die Unfähigkeit, die Homöostase aufrechtzuerhalten, kann zum Tod oder zu Krankheiten wie Diabetes, Dehydrierung, Hyperthermie und sogar allergischen Reaktionen führen.

HOMEOSTATISCHE KONTROLLSYSTEME

Um zu erklären, wie die Homöostase funktioniert, sollten wir uns die Veränderungen ansehen, die zur Aufrechterhaltung der Körpertemperatur stattfinden. Woher weiß der Körper, wann er frösteln oder schwitzen muss? Der erste Schritt zur Erkennung einer Temperaturänderung ist die Fähigkeit, eine Temperaturänderung zu erkennen. Im Körper wird diese Funktion einem Rezeptor zugeschrieben, einer Art Sensor, der die Umgebung überwacht und Veränderungen der Variablen erkennt. Wenn Bedingungen eine Veränderung in einer Variable verursachen, nennen wir sie Reize. Sobald ein Rezeptor eine Veränderung feststellt, übermittelt er diese Veränderung an ein Kontrollzentrum. Kontrollzentren befinden sich überall im Körper, oft im Gehirn, und sind für die Bestimmung des Sollwerts und der geeigneten Vorgehensweise zur Korrektur von Abweichungen vom Sollwert verantwortlich. Kontrollzentren diktieren einen Handlungsablauf, indem sie mit Effektoren kommunizieren. Ein Effektor liefert die Mittel zur Korrektur der Abweichung. In Bezug auf die Temperaturregulierung befindet sich das Kontrollzentrum im Hypothalamus, einer kleinen Region im Gehirn, und zu den Effektoren gehören die Skelettmuskulatur (Frösteln), die Schweißdrüsen (Schwitzen) und die Blutgefäße. Interessant ist auch, dass der menschliche Körper einen Sollwert für eine bestimmte Variable ändern kann. Diese Veränderung ist im Allgemeinen vorübergehend und von Vorteil. So kann sich beispielsweise der Sollwert für die Körpertemperatur als Reaktion auf eine Infektion auf einen höheren Wert ändern, was als Fieber bezeichnet wird. Dieser Temperaturanstieg unterstützt das Immunsystem bei der Beseitigung des Krankheitserregers.

Ein wesentlicher Bestandteil der Homöostase ist die Kommunikation. Die Kommunikation im Körper erfolgt hauptsächlich über zwei Systeme: das Nervensystem und das endokrine System. Unabhängig vom verwendeten System gilt: Fließt die Kommunikation vom Rezeptor zum Kontrollzentrum, spricht man von einem afferenten Weg. Fließt die Information vom Kontrollzentrum zum Effektor, spricht man von einem efferenten Weg. Zusammengenommen bilden Rezeptor, afferenter Pfad, Kontrollzentrum, efferenter Pfad und Effektor ein homöostatisches Kontrollsystem. Im Wesentlichen sind alle Organe und Gewebe des Körpers Teil homöostatischer Kontrollsysteme und erfüllen Funktionen, die zur Aufrechterhaltung der inneren Umgebung des Körpers beitragen.

Bild modifiziert von gemeinfreien Bildern von Gehirn und Haut. Andere Elemente freihändig von JS bei BYU-I 2013.

1. Rezeptoren in der Haut und im Gehirn können die Temperatur messen.

2. Informationen über die Temperatur werden durch afferente Neuronen zum Kontrollzentrum geleitet. Das Kontrollzentrum in dieser Geschichte ist der Hypothalamus (grüner Punkt in der Abbildung des Gehirns).

3. Der Hypothalamus beurteilt, wo die Temperatur im Verhältnis zum Sollwert (98,6) liegt. Der Hypothalamus sendet dann ein Signal durch efferente Neuronen an die Haut und das Muskelgewebe.

4. Die Haut und das Muskelgewebe sind Effektoren. Wenn das Kontrollzentrum feststellt, dass die Körpertemperatur über dem Sollwert liegt, erweitern sich die Blutgefäße in der Haut, so dass mehr Blut an die Körperoberfläche gelangt. Die Schweißdrüsen in der Haut produzieren mehr wässrigen Schweiß, der an die Hautoberfläche abgesondert wird und die Wärmeabgabe durch Verdunstung des Wassers ermöglicht. Wenn das Kontrollzentrum feststellt, dass die Körpertemperatur unter dem Sollwert liegt, verengen sich die Blutgefäße der Haut, um das warme Blut in Richtung Körperkern zu leiten. Außerdem stellen die Schweißdrüsen die Schweißproduktion ein. Die Muskeln sind ein weiterer Effektor bei Kälte. Die Muskeln beginnen zu zittern, wodurch Wärme im Körper erzeugt wird.

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