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摘要:内稳态是一种保持相对稳定的内部状态的能力,尽管外部世界发生了变化,这种状态仍然存在。[人体七大谜团]被誉为生理学的核心原则,Cannon对内稳态的基本定义至今仍在使用。该理论认为,内稳态使生物体更容易从环境中提取重要信息,并在身体各部分之间传递信号。无论其进化目的如何,内稳态已经塑造了生命科学近一个世纪的研究。

内稳态是一种保持相对稳定的内部状态的能力,尽管外部世界发生了变化,这种状态仍然存在。所有的生物,从植物到小狗到人类,都必须调节其内部环境来处理能量,并最终生存下来。例如,如果你的血压猛增或体温骤降,你的器官系统可能难以完成工作,最终失败。
为什么体内平衡很重要生理学家沃尔特·坎农在20世纪20年代创造了“体内平衡”一词,扩展了已故生理学家克劳德·伯纳德以前的工作。在19世纪70年代,伯纳德描述了复杂的有机体必须在其内部环境或“环境”中保持平衡,才能在外面的世界中过上“自由独立的生活”。坎农磨练了这一概念,并通过他的书《身体的智慧》(1932年英国医学杂志)向大众介绍了体内平衡。[人体七大谜团]
被誉为生理学的核心原则,Cannon对内稳态的基本定义至今仍在使用。这个词源于希腊语词根,意为“相似”和“稳定状态”。前缀“homeo”强调,在一个精确的温度或速度下,汽车内的自动调温器或巡航控制系统不会起作用。相反,根据《食欲》杂志上的一篇评论,体内平衡将重要的生理因素控制在可接受的范围内。
例如,人体调节其内部氢、钙、钾和钠的浓度,这些是细胞正常功能所依赖的带电粒子。根据《生理学教育进展》2015年的一篇评论,稳态过程还可以维持水、氧、pH和血糖水平,以及核心体温。根据《科学美国人》杂志的报道,健康生物体中的
,稳态过程不断自动展开。多个系统通常协同工作,以保持单一生理因素的稳定,如体温。如果这些措施动摇或失败,一个有机体可能会死于疾病,甚至死亡。
如何保持体内平衡许多体内平衡系统都会从身体中听到求救信号,以知道关键变量何时超出其适当范围。神经系统检测到这些偏差并报告给控制中心,通常是基于大脑。然后,控制中心指导肌肉、器官和腺体纠正干扰。根据在线教科书《解剖学和生理学》的说法,干扰和调整的持续循环被称为“负反馈”。例如,
,人体的核心温度保持在98.6华氏度(37摄氏度)左右。过热时,皮肤和大脑中的温度传感器会发出警报,引发连锁反应,引导身体出汗和潮红。当寒冷时,身体会颤抖,减少皮肤的血液循环。同样,根据美国国立卫生研究院资助的两项研究,当钠水平上升时,身体会向肾脏发出信号,以保存水分并排出浓缩尿液中多余的盐。
动物也会根据负反馈调整行为。例如,当温度过高时,我们可能会脱掉一层衣服,移到阴凉处,或者喝一杯冷水。
现代稳态模型负反馈的概念可以追溯到20世纪20年代Cannon对稳态的描述,是对稳态工作原理的第一个解释。但近几十年来,许多科学家认为有机体能够预见到对内环境平衡的潜在破坏,而不仅仅是在事实发生后对其作出反应根据《心理学评论》(Psychological Review)2015年的一篇文章,内环境平衡,也就是所谓的异地平衡,意味着一个特定变量的理想设定值可以随着短暂的环境变化而改变。受昼夜节律、月经周期或每日体温波动的影响,穴位可能会发生变化。根据《生理学教育进展》2015年的一篇综述,设定点也可能会随着生理现象的变化而改变,如发烧,或是同时发生的多种稳态过程的补偿。
“设定点本身不是固定的,但可以显示出适应性可塑性,”该研究所的生物学家Art Woods说密苏拉蒙大拿大学。”根据2007年《食欲》杂志的一篇评论,该模型允许对即将到来的潜在干扰做出预期反应,以设定值为准。
例如,在用餐前,身体会分泌额外的胰岛素、ghrelin和其他激素。这一先发制人的措施使身体为即将到来的卡路里洪流做好准备,而不是紧随其后努力控制血糖和能量储存。
改变设定点的能力使动物能够适应短期压力源,但在面对长期挑战时可能会失败,例如气候变化。
“激活稳态响应系统在短时间内是可以的,”伍兹说。但它们的设计不会持续太久。”如果把稳态系统推得太远,它们可能会发生灾难性的故障;因此,尽管系统可能能够处理近期的新气候,但它们可能无法在较长时间内处理更大的变化。
稳态点可以自适应。例如,在吃饭前,身体会分泌额外的胰岛素、ghrelin和其他激素,以使身体为即将到来的卡路里洪流做好准备,而不是在饭后拼命控制血糖和能量储存。保持信息流动的稳态系统可能主要是为了帮助生物体在不同的环境和情况下保持最佳功能而进化的。但是,根据2013年发表在《生态学与进化趋势》杂志上的一篇文章,一些科学家认为,体内平衡主要为细胞、组织和器官之间的交流提供了一个“安静的背景”。该理论认为,内稳态使生物体更容易从环境中提取重要信息,并在身体各部分之间传递信号。
无论其进化目的如何,内稳态已经塑造了生命科学近一个世纪的研究。尽管大多是在动物生理学的背景下讨论的,但稳态过程也使植物能够管理能量储存、滋养细胞和应对环境挑战。除了生物学之外,社会科学、控制论、计算机科学和工程都将稳态作为一个框架来理解人和机器如何在受到干扰的情况下保持稳定。
附加资源:
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