مقدمه ای بر فیزیولوژی و هومئوستازی  بدن با نگاهی به کتاب فیزیولوژی گایتون

یکی از پرسش های اصلی در فیزیولوژی این است که بدن چگونه با وجود تغییرات مداوم محیط، فعالیت، تغذیه و شرایط داخلی، عملکرد خود را در محدوده ای مناسب حفظ می کند. پاسخ این پرسش با مفهوم هومئوستازی یا هم ایستایی ارتباط دارد؛ مفهومی که از پایه های اصلی فیزیولوژی بدن انسان است.

در کتاب Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology نیز بحث فیزیولوژی از همین نقطه آغاز می شود: سلول ها در یک «محیط داخلی» زندگی می کنند و ادامه عملکرد طبیعی آن ها به تنظیم مداوم ترکیب این محیط وابسته است. بنابراین برای شناخت فیزیولوژی فقط دانستن عملکرد جداگانه قلب، ریه، کلیه یا سیستم عصبی کافی نیست؛ باید بفهمیم این سیستم ها چگونه برای حفظ شرایط داخلی بدن با یکدیگر همکاری می کنند.

اگر به دنبال تعریف جامع تر خود علم فیزیولوژی، انواع آن و تفاوتش با آناتومی هستید، مقاله فیزیولوژی چیست؟ به این موضوع اختصاص دارد. در این مطلب تمرکز اصلی بر هومئوستازی و سازوکارهای کنترل فیزیولوژیک بدن است.

هومئوستازی چیست؟

هومئوستازی (Homeostasis) به توانایی بدن برای حفظ شرایط داخلی در محدوده ای سازگار با عملکرد طبیعی سلول ها گفته می شود. این مفهوم به معنای ثابت ماندن کامل شرایط بدن نیست. بسیاری از متغیرهای فیزیولوژیک در طول شبانه روز، هنگام غذا خوردن، ورزش، خواب یا قرار گرفتن در محیط های مختلف تغییر می کنند، اما سیستم های تنظیمی تلاش می کنند این تغییرات را در محدوده ای قابل کنترل نگه دارند.

دمای بدن، غلظت گلوکز خون، فشار خون، میزان آب و الکترولیت ها، اکسیژن، دی اکسیدکربن و pH از نمونه متغیرهایی هستند که تنظیم آن ها برای عملکرد طبیعی بدن اهمیت دارد. اگر تغییر یک متغیر از ظرفیت سیستم های تنظیمی فراتر برود، عملکرد سلول ها و اندام ها نیز می تواند مختل شود.

محیط داخلی بدن در فیزیولوژی گایتون چه معنایی دارد؟

یکی از مفاهیم مهم در فصل آغازین گایتون، «محیط داخلی» بدن است. بخش بزرگی از سلول های بدن مستقیماً با محیط خارج در تماس نیستند؛ بلکه مواد موردنیاز خود را از مایع خارج سلولی دریافت می کنند. اکسیژن، مواد مغذی و یون ها از طریق این محیط به سلول ها می رسند و مواد حاصل از متابولیسم نیز از سلول ها به آن منتقل می شوند.

به همین دلیل ترکیب مایع خارج سلولی باید به طور مداوم تنظیم شود. سیستم تنفسی در تنظیم اکسیژن و دی اکسیدکربن نقش دارد، کلیه ها آب، الکترولیت ها و تعادل اسید و باز را تنظیم می کنند، سیستم قلبی عروقی مواد را میان بافت ها جابه جا می کند و سیستم عصبی و هورمونی فعالیت بسیاری از این فرایندها را هماهنگ می کنند.

سیستم کنترل هومئوستازی چگونه کار می کند؟

بسیاری از فرایندهای تنظیمی بدن را می توان با یک الگوی کلی توضیح داد. ابتدا تغییری در یک متغیر فیزیولوژیک ایجاد می شود. یک گیرنده یا حسگر این تغییر را شناسایی می کند و اطلاعات را به یک مرکز کنترل یا بخش تنظیم کننده می فرستد. سپس پاسخ مناسب از طریق یک یا چند عامل اجراکننده ایجاد می شود.

به صورت ساده، مسیر را می توان چنین در نظر گرفت:

• تغییر یا محرک: یک متغیر از محدوده تنظیمی خود دور می شود.
• گیرنده یا حسگر: تغییر را تشخیص می دهد.
• مرکز کنترل: اطلاعات را پردازش و پاسخ مناسب را تعیین می کند.
• عامل اجراکننده: پاسخ لازم را ایجاد می کند.
• پاسخ: متغیر به سمت محدوده مناسب هدایت می شود یا فرایند تا رسیدن به نقطه پایان ادامه پیدا می کند.

همه سیستم های فیزیولوژیک دقیقاً یک مدار ساده و یکسان ندارند، اما این مدل برای فهم بسیاری از مکانیسم های تنظیمی بدن مفید است.

بازخورد منفی؛ مکانیسم اصلی حفظ هومئوستازی

بیشتر سیستم های تنظیمی مرتبط با هومئوستازی بر پایه بازخورد منفی (Negative Feedback) عمل می کنند. در این نوع تنظیم، تغییری که در یک متغیر ایجاد شده است پاسخی را فعال می کند که اثر آن تغییر را کاهش می دهد.

برای مثال، اگر دمای بدن افزایش پیدا کند، سیستم های تنظیم حرارت می توانند فرایندهایی مانند افزایش جریان خون پوست و تعریق را فعال کنند تا دفع گرما بیشتر شود. در هوای سرد نیز پاسخ هایی مانند انقباض عروق پوستی و لرزش عضلات می توانند به حفظ گرما یا تولید آن کمک کنند.

تنظیم گلوکز خون نمونه دیگری از بازخورد منفی است. پس از افزایش گلوکز خون، ترشح انسولین افزایش پیدا می کند و برداشت یا ذخیره گلوکز در بافت های مختلف بیشتر می شود. با کاهش گلوکز، شدت این پاسخ نیز تغییر می کند. در شرایط کاهش گلوکز، مکانیسم های دیگری از جمله ترشح گلوکاگون به افزایش دسترسی به گلوکز کمک می کنند.

بازخورد مثبت چه تفاوتی با بازخورد منفی دارد؟

در بازخورد مثبت (Positive Feedback) پاسخ ایجادشده، تغییر اولیه را تقویت می کند. به همین دلیل بازخورد مثبت معمولاً مکانیسم اصلی حفظ هومئوستازی نیست و اغلب در فرایندهایی دیده می شود که باید تا رسیدن به یک پایان مشخص ادامه پیدا کنند.

یکی از نمونه های کلاسیک، زایمان است. کشیده شدن دهانه رحم پیام هایی را به سیستم عصبی ارسال می کند و ترشح اکسی توسین افزایش می یابد. اکسی توسین باعث تقویت انقباض های رحم می شود و این انقباض ها کشش بیشتری ایجاد می کنند. چرخه تا زمان تولد ادامه پیدا می کند و پس از پایان محرک متوقف می شود.

فرایند انعقاد خون نیز نمونه ای است که در بخشی از مراحل آن فعال شدن یک عامل می تواند مراحل بعدی را تقویت کند تا لخته در محل آسیب شکل بگیرد.

چند مثال از هومئوستازی در بدن

اهمیت هومئوستازی زمانی روشن تر می شود که ببینیم سیستم های مختلف بدن چگونه برای کنترل چند متغیر مهم با یکدیگر همکاری می کنند.

تنظیم دما و نقش عضلات

هنگام کاهش دمای بدن، سیستم عصبی می تواند انقباض های سریع و غیرارادی عضلات اسکلتی یا همان لرزش را فعال کند. فعالیت عضلات باعث افزایش مصرف انرژی و تولید گرما می شود. این مثال نشان می دهد که حتی سیستم عضلانی نیز می تواند در یک پاسخ هومئوستاتیک نقش داشته باشد.

تنظیم دی اکسیدکربن و pH

سیستم تنفسی یکی از نمونه های مهم تنظیم مداوم محیط داخلی است. افزایش دی اکسیدکربن می تواند تعادل اسید و باز را تغییر دهد. گیرنده های شیمیایی و مراکز کنترل تنفس به این تغییرات پاسخ می دهند و با تنظیم تهویه ریه، دفع دی اکسیدکربن تغییر می کند.

کلیه ها نیز در بازه زمانی طولانی تر از طریق تنظیم دفع یون هیدروژن و بازجذب یا تولید بیکربنات در حفظ تعادل اسید و باز نقش دارند. بنابراین تنظیم pH نمونه روشنی از همکاری چند سیستم مختلف برای حفظ محیط داخلی است.

تنظیم قند خون و نقش سیستم درون ریز

غلظت گلوکز خون نیز تحت کنترل چندین هورمون قرار دارد. انسولین و گلوکاگون که از بخش درون ریز پانکراس ترشح می شوند، از عوامل اصلی این تنظیم هستند. پس از خوردن غذا و افزایش گلوکز، انسولین به ورود و ذخیره گلوکز در برخی بافت ها کمک می کند. هنگام کاهش گلوکز نیز گلوکاگون و سایر مکانیسم های تنظیمی می توانند دسترسی بدن به گلوکز را افزایش دهند.

تنظیم هورمونی محدود به قند خون نیست. بسیاری از محورهای درون ریز، از جمله محور هیپوتالاموس، هیپوفیز و غدد هدف، خود از حلقه های بازخورد منفی استفاده می کنند.

آیا هومئوستازی به معنی ثابت ماندن بدن است؟

خیر. یکی از برداشت های نادرست از هومئوستازی این است که بدن باید همیشه در یک وضعیت کاملاً ثابت باقی بماند. در واقع بسیاری از متغیرهای بدن در یک دامنه تنظیم شده نوسان می کنند و این دامنه نیز ممکن است بر اساس زمان، فعالیت، خواب، سن یا شرایط فیزیولوژیک تغییر کند.

برای نمونه، ضربان قلب هنگام فعالیت بدنی افزایش پیدا می کند و این افزایش به خودی خود نشانه از بین رفتن هومئوستازی نیست. بدن برای پاسخ گویی به نیاز بیشتر عضلات به اکسیژن و مواد غذایی، گردش خون و تنفس را متناسب با شرایط تغییر می دهد. بنابراین هومئوستازی بیشتر به معنای تعادل پویا است تا ثابت بودن کامل.

وقتی هومئوستازی مختل می شود چه اتفاقی می افتد؟

سلامت طبیعی بدن به توانایی سیستم های مختلف برای جبران تغییرات وابسته است. اگر یک سیستم تنظیمی نتواند متغیر موردنظر را در محدوده مناسب نگه دارد، شرایط داخلی می تواند از محدوده طبیعی فاصله بگیرد.

برای مثال، اختلال در تنظیم گلوکز خون یکی از ویژگی های اصلی دیابت است، نارسایی شدید کلیه می تواند تنظیم آب، الکترولیت ها و اسید و باز را مختل کند و اختلال شدید عملکرد تنفسی ممکن است بر اکسیژن، دی اکسیدکربن و pH اثر بگذارد.

این مثال ها نشان می دهند چرا شناخت فیزیولوژی طبیعی پیش نیاز مهمی برای فهم پاتوفیزیولوژی است: ابتدا باید بدانیم یک سیستم چگونه تنظیم می شود تا بتوانیم بفهمیم در بیماری کدام بخش از این تنظیم تغییر کرده است.

جایگاه هومئوستازی در کتاب فیزیولوژی گایتون

اهمیت هومئوستازی در ساختار کتاب گایتون کاملاً مشخص است. کتاب پیش از ورود به فصل های تخصصی قلب، کلیه، تنفس، سیستم عصبی و غدد، بحث را با سازمان عملکردی بدن، سلول، مایع خارج سلولی به عنوان «محیط داخلی»، هومئوستازی و سیستم های کنترل آغاز می کند.

این ترتیب آموزشی یک پیام مهم دارد: عملکرد سیستم های مختلف بدن را نباید جدا از یکدیگر دید. قلب، عروق، ریه، کلیه، سیستم عصبی و هورمون ها بخش هایی از شبکه ای هستند که شرایط لازم برای ادامه فعالیت سلول ها را فراهم می کنند.

در ویرایش پانزدهم Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology نیز همین ساختار حفظ شده و فصل اول به سازمان عملکردی بدن و کنترل محیط داخلی اختصاص دارد. برای افرادی که علاوه بر محتوای علمی، می خواهند درباره مطالعه نسخه انگلیسی این منبع بدانند، مقاله چرا باید فیزیولوژی گایتون را به زبان انگلیسی بخوانیم؟ موضوع را از زاویه دیگری بررسی کرده است.

جمع بندی

هومئوستازی یکی از مفاهیم بنیادی فیزیولوژی است و توضیح می دهد بدن چگونه محیط داخلی خود را با وجود تغییرات مداوم حفظ می کند. این پایداری نتیجه یک سیستم منفرد نیست؛ بلکه از همکاری سلول ها، سیستم عصبی، هورمون ها، ریه ها، کلیه ها، قلب، عروق و سایر بافت ها به وجود می آید.

بازخورد منفی مهم ترین الگوی تنظیم بسیاری از این متغیرهاست و بازخورد مثبت در شرایط خاص و تا رسیدن به یک نقطه پایان مشخص عمل می کند. نگاه گایتون به فیزیولوژی نیز از همین اصل آغاز می شود: برای درک عملکرد بدن باید ابتدا رابطه سلول ها، محیط داخلی و سیستم های کنترل را شناخت.

منابع

Elsevier – Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology, 15th Edition
https://shop.elsevier.com/books/guyton-and-hall-textbook-of-medical-physiology/hall/978-0-443-11101-3

OpenStax – Anatomy and Physiology 2e, Homeostasis
https://openstax.org/books/anatomy-and-physiology-2e/pages/1-5-homeostasis

NCBI Bookshelf – Physiology, Homeostasis
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK559138/

ویراستار: طاها جعفری