הומאוסטאזיס

בביולוגיה, הוֹמֵאוֹסְטָזִיס או מַצַּב אִזּוּן או מצב יציב (מיוונית: ὅμοιος – אומויוס – דומה/זהה; στᾰ́σῐς – סטסיס – עומד/מצב) הוא מצב שבו התנאים הפיזיקליים והכימיים השוררים בתוך האורגניזם נשמרים ברמה יציבה שמתאימה לפעילותו המיטבית, שומר על הומאוסטזיס, כלומר על תנאים פנימיים יציבים, באמצעות תהליכי ויסות ביוכימיים–מטבוליים, שמכונים תהליכים הומאוסטטיים. שמירה על יציבות אין פירושה שמירה על ערך מדויק, אלא שמירה על רמה יציבה בתוך טווח של ערכים שמתאים לפעילות מיטבית של האורגניזם, ומכונה טווח הומאוסטטי. דוגמאות לשמירה על הומאוסטזיס כוללות את ויסות חום הגוף, ויסות כמות המים בגוף, וויסות רמת הסוכר בדם. המונח נטבע על ידי וולטר קנון ב-1926.

למונח ניתנה גם משמעות בתחום הפסיכולוגיה, כאשר זיגמונד פרויד טען כי האדם שואף להגיע לאיזון נפשי ובכך, להגיע בעצם ל"הומאוסטזיס פנימי".

העיקרון

עמידות הסביבה הפנימית היא תנאי לעצם קיומנו כיצור חי. בכל התאים החיים שוררים תנאים שונים במידה מסוימת מאלה ששוררים בסביבתם. ביצורים חד-תאיים, ההבדל בין פנים התא לסביבה מתבטא בריכוזים של חומרים מומסים כגון מלחים, חומצות אמינו, סוכרים ומומסים אחרים, שהם שונים בתוך התא מהריכוזים שלהם מחוץ לתא. ביצורים רב-תאיים, התאים הבודדים לא באים במגע עם הסביבה החיצונית. ריכוזי החומרים נשמרים בהם הודות לפעילות של מנגנונים פיזיולוגים של הגוף השלם. מדובר בעיקר בטווח ריכוזים של מומסים, הנשמר בתוך גבולות הנורמה, וכן בשמירה על הנפח הכללי של נוזלי הגוף. לדוגמה, ריכוז הגלוקוז בצום בדמו של אדם בריא יכול לנוע בין 70 מ"ג לכל 100 סמ"ק דם, לבין 100 מ"ג לכל 100 סמ"ק. ריכוז של יונים כגון נתרן, אשלגן, סידן נשמרים בגבולות צרים יותר. אצל עופות ויונקים, וחלק מהדגים, ההומאוסטזיס מתבטא גם בשמירה על חום גוף קבוע בתוך גבולות צרים מאוד. יצורים המקיימים חום גוף קבוע נקראים 'מבקרי חום' ובלעז פויקילותרמיים. טמפרטורת גוף תקינה של אדם בריא יכולה לנוע רק בעשיריות של מעלה סביב מעלת החום הקבועה של גופו (אצל גברים בדרך כלל 37 מעלות צלזיוס במזג אוויר ממוצע), וסטייה של מעלה שלמה, ל-38 מעלות היא כבר עדות למחלה; בעוד שטמפרטורת האוויר סביבו יכולה להתנודד בין ערכים הרבה מתחת ל-0 ועד 40 מעלות ויותר. האדם משמר את חום גופו באמצעים מלאכותיים, ובכך יכול לנוד בין אזורים שבהם יצורים אחרים אינם יכולים לנדוד באותן תקופות. טמפרטורת גוף קבועה אינה חלק ממצב האיזון הגופני – ההומאוסטזיס, ברוב קבוצות היצורים החיים, הצמחים והפטריות.

השמירה על סביבה פנימית יציבה מתאפשרת הודות לפעולתם של מנגנוני משוב ביולוגים בגופם של יצורים חיים. כאשר חלה סטייה מהערך התקין, למשל, עלייה בריכוז מלחים בדם מעל למצב התקין, פועלים מנגנונים שונים להחזרת הריכוז לערכו התקין המנגנונים הם, ככלל, משני סוגים: פיזיולוגיים והתנהגותיים. מנגנון פיזיולוגי לדוגמה הוא מערכת תגובה הורמונלית המביאה לצמצום ניכר של כמות השתן הנוצרת בכליות – דבר המגדיל את כמות המים המוחזרים מהכליות לדם ובכך מקטינים את ריכוז המלח בדם. מנגנון התנהגותי מופעל על ידי תאי חישה רגישים בכלי הדם, המגרים את מנגנון הצמא במוח וגורמים לבעל החיים הצמא לשתות. זו רק דוגמה אחת. ירידה של ריכוז הגלוקוז בדם יכולה לעורר מספר תגובות שונות: מערך הורמונלי הגורם להפיכה של הרב סוכר גליקוגן שאגור בכבד, לגלוקוז; תהליך דומה מתרחש בשרירים, וכן, גירוי למערכת העצבים מעורר תחושת רעב ודחף לאכילה. כדי לקיים את פעילות כל מנגנוני ההומאוסטזיס יש צורך באנרגיה, וזו מופקת מהמזון, בתהליכי נשימת התאים. התיאום בין מערכות הגוף הפועלות להחזרת הסטייה לערכם התקינים מווסתות בעיקר על ידי מערכת העצבים המרכזית ומערכת הבלוטות.

הומאוסטזיס ברמת האברון, התא והגוף השלם

כל תא עטוף בממברנה ביולוגית (קרום התא) המאפשרת לו הכנסה והוצאה מבוקרת של חומרים אליו כך שיבדל מסביבתו ויכיל תמיד את התנאים ההכרחיים לפעילות החיים. בתאים אאוקריוטים ישנן גם ממברנות פנימיות (למשל רטיקולום אנדופלסמי ומערכת גולגי שתפקידם לנקז חלבונים, שומנים וסטרולים מן התא החוצה, ולשמור על רמות סידן מתאימות), השומרות בקביעות על תנאים ייחודיים באברוני התא שונים. במיטוכונדריה, למשל, נדרשת רמת חומציות שונה מזו שבציטופלסמה של התא.

ויסות חום הגוף

ערך מורחב – תרמורגולציה

לא כל היצורים החיים מסוגלים לווסת את טמפרטורת הגוף בעצמם. בשונה מן היצורים הפויקילותרמים או האקטותרמים, היצורים ההומיאותרמים או האנדותרמים מסוגלים לווסת את טמפרטורת הגוף בעצמם. לכן, היצורים שאינם מסוגלים לווסת את טמפרטורת הגוף שלהם בעצמם מושפעים מן הסביבה וכדי למנוע מצב של התחממות יתר או קיפאון יש להם התאמות התנהגותיות העוזרות להם בכך.

ויסות חום הגוף הוא דוגמה ליציבות הסביבה הפנימית שחלה רק על יונקים ועופות. המשתנה המווּסת הוא הטמפרטורה של הדם, וחיישנים לכך ממוקמים בחלקים שונים של הגוף מוסרים מידע אל מרכז בקרת הטמפרטורה במוח – ההיפותלמוס אשר מעבד את המידע ונותן הוראות בהתאם. יצורים שונים פיתחו מנגנונים שונים להתמודדות עם העלאת וירידת חום הגוף. כך למשל יצורים המתקיימים בטמפרטורות נמוכות במיוחד יכולים להפריש חלבון נוגד קיפאון שיעזור להם להתמודד עם סביבתם הקרה. ייתכן שחלבון זה מסייע גם ליונקים לשמור על חום גופם בסביבה קרה. או למשל הגמל שגופו יכול לנוע בטווח טמפרטורות נרחב (36–42 מעלות צלזיוס) בלא שייגרם נזק לגופו.

התגובות לשינויים בטמפרטורה הן תגובות פיזיולוגיות אוטומטיות או התנהגויות רצוניות, כגון ישיבה שפופה בחביקת ברכיים להקטנת שטח הפנים החשוף לטמפרטורה נמוכה, הפעלת תנור חימום כאשר קר או הפחתת פעילות (המייצרת חום) בתנאי עומס חום.

ישנם כמה מנגנונים הפועלים תמידית על מנת לשמור על טמפרטורת גוף קבועה, ביניהם גם כאלו הפועלים במקרים יותר קיצוניים. המנגנונים הפיזיקליים הפועלים לשם ויסות חום הגוף הם: קרינה, הולכה, הסעה ואידוי. כמו כן, קיימים מנגנונים פיזיולוגיים הפועלים לשם ויסות חום הגוף:

במצב של חום:

• הרחבת כלי הדם ההיקפיים (ואזודיליטציה פריפרית) ובכך הגדלת זרימת הדם אליהם – הדבר גורם ליותר דם הנושא עימו את חום הגוף להגיע לפני השטח ולכן, יותר אנרגיית חום נפלטת מהגוף אל הסביבה.
• הזעה – הפרשת נוזל אל פני העור וניצול אנרגיית החום של הגוף להענקת אנרגיית תנועה למולקולות הנוזל ועל ידי כך לאדות אותו.
• האטת קצב חילוף חומרים (תהליך ארוך טווח) – הפרשת הורמון הנקרא תירוקסין הגורם לשינוי קצב הנשימה התאית לטווח ארוך ובכך עוזר לאורגניזם להתמודד עם עונה מסוימת.

במצב של קור:

• הצרת כלי הדם ההיקפיים (ואזוקונסטריקציה פריפרית) ובכך הקטנת זרימת הדם אליהם – הדבר גורם לפחות דם הנושא עימו את חום הגוף להגיע לפני השטח ולכן, פחות אנרגיית חום נפלטת אל הסביבה (יכול לגרום לאף או ידיים קרות).
• רעד שרירים – הרעדת השרירים במטרה להעלות את קצב נשימה התאית שמספקת לשרירים את האנרגיה הדרושה לתנועתם. במהלך תהליך הנשימה התאית נוצרת גם אנרגיית חום ולכן, ככל שקצב התהליך גובר, יותר אנרגיית חום נוצרת וטמפרטורת הגוף עולה.

ויסות רמת הסוכר בדם

ויסות רמת הסוכר בדם קיים אצל כל בעלי החיים, ולכן אפילו בזמני צום ארוכים רמת הסוכר אינה יורדת במידה משמעותית. יונקים מווסתים את רמת הסוכר בדמם על ידי שימוש באינסולין ובהורמון גלוקגון. האינסולין מיוצר בתאי בטא בלבלב, והוא מוביל גלוקוז לתאי הגוף. אם ישנו עודף של גלוקוז בדם, האינסולין מורה לתאים להחזיק יותר גלוקוז לשימוש שלהם. כאשר בתוך התא יש עודף גלוקוז, הוא יוצר ממולקולות גלוקוז רבות רב סוכר הנקרא גליקוגן. הגליקוגן אינו נמס היטב במים ולכן אינו מפריע לחילוף החומרים בתא, לעומת הגלוקוז, שמסיס במים. אם מסיבה כלשהי האינסולין אינו מבצע את פעילותו, או שהתאים מאבדים את רגישותם אליו, מתפתחת סוכרת. הגלוקגון מיוצר בתאי אלפא של הלבלב ומעודד את התאים לפרק את הגליקוגן חזרה למולקולות גלוקוז מהן יוכל התא להפיק אנרגיה בתהליכי הנשימה בתא – אירובית או אנאירובית.

משק המים

ערך מורחב – משק המים בגוף האדם

כדי לשמור על כמות קבועה של מים בגוף, על מערכות הגוף לקיים ללא הפסקה את האיזון בין כמות המים היוצאים מהגוף לכמות המים הנכנסים לגוף. כאשר שותים מים ניתן פעמים רבות להרגיש הזעה שמטרתה להשיב את האיזון. גם לכליות תפקיד מרכזי בשליטה על כמות המים היוצאים מהגוף, על ידי שליטה בכמות השתן. ברחבי הגוף מפוזרים קולטנים תחושתיים הרגישים ללחץ הדם ולשיעור המומסים בתוכו; הקולטנים מהווים חלק ממערכות הורמונליות ועצביות המפעילות את הכליות ומשפיעות על כמות השתן הנוצר בהן. מצד שני, מנגנון צמא יכול לעודד התנהגות המובילה לשתיית מים.

הומאוסטזיס חלבוני

רוב האנזימים בתא החי הם חלבונים (מיעוטם RNA פעיל). יש חלבונים שמתבלים עם הזמן או שמיוצרים באופן פגום ויש לתקנם או לפרקם. עודף של חלבונים לא תקינים יכול לגרום לפעילות אנזימטית לא רצויה ולצברי חלבונים פגומים בחלל התא ובממברנה. צבירים אלה נקראים אגרגטים והם יכולים להזיק במיוחד לתאי העצב שהפעילות הממברנלית שלהם דורשת סדר מבני בממברנה וששלוחותיהם יכולות להיסתם מצבירים אלה.

הומאוסטזיס חלבוני הוא השמירה על כמות קטנה של חלבונים לא תקינים בתא. שמירה על הומאוסטזיס חלבוני מחייבת בקרה על ייצור חלבונים שמתקנים או מפרקים חלבונים פגומים. אי עמידה בהומאוסטזיס חלבוני מובילה להתפרצות מחלות. גורמים המקשים על עמידה בהומאוסטזיס חלבוני הם גנים מוטנטים שגורמים לייצור חלבונים פגומים רבים, בעיה בייצור חלבונים שמתקנים או מפרקים חלבונים פגומים (מחלת הנטינגטון, הזדקנות) או פראונים שהם חלבונים פגומים שהגיעו לגוף החי דרך המזון או בחלל תא הביצית (או תא האם ביצורים חד תאיים) וגורמים לחלבונים תקינים בתא לשנות את המבנה שלהם ולהפוך גם הם לפראונים (מחלת קורו, הפרה המשוגעת, מחלת קרויצפלד-יעקב, טרשת נפוצה).

ויסות חושי

כדי לשרוד, אורגניזם חייב לזהות בסביבתו גורמים רבים שאליהם עליו להתאים תגובה נכונה. לדוגמה, עליו להבדיל בין מזון ובין גורמים בלתי אכילים או בין עמית לבין טורף. הוא חייב לזהות את הגורמים האלה, למרות שחלק גדול מהם אינו משתנה במהותו, אך נתוני הקלט שמגיעים אליו אודות גורמים חיצוניים משתנים. לדוגמה, טורף עשוי להיראות שונה כאשר הוא עומד באור שמש מלא, באור זריחה ובאור הירח. עם זאת, האורגניזם חייב תמיד לזהות אותו כטורף תוך זמן קצר מאוד. לשם כך מצויד האורגניזם במנגנונים לשמירה על מה שמוגדר כ"ויסות חושי". חלק מהמנגנונים האלה מצויים באברי החוש והאחרים במערכת העצבים האוטונומית ובמערכת העצבים המרכזית. פגיעה בכוונון של מנגנונים אלה גורמת ללקות.

המנגנונים המוכרים ביותר לוויסות חושי הם אלה המווסתים את גירוי הראייה בחשיפה לכמויות אור שונות. עינם של החולייתנים מכילה קשתית המתכווצת ומתרחבת וכך מאפשרת כמות אור קבועה הנכנסת לעין למרות עוצמות תאורה משתנות בסביבה החיצונית. כאשר האור בסביבה החיצונית קלוש ביותר, למשל בלילות, באזור חסר תאורה מלאכותית, הקשתית פתוחה לחלוטין ומנגנון ויסות שני בעין מתחיל לעבוד. התאים שקולטים אור ביום, המדוכים, אינם רגישים דיים לאור הקלוש של הלילה ובמקומם מתחילים לפעול תאי ראיית לילה-הקנים.

חשיבותו של מנגנון ויסות חושי לרגישות לאור מודגמת היטב בעזרת תופעת הסנוור. פעילותם של בני אדם וחיות בחשכת הלילה תשובש קשות אם לפתע פניהם יוארו באור מלאכותי חזק. דוגמה אחרת לחשיבות המנגנון היא קשתית שקופה בשל לבקנות. מצב זה יוצר לקות ראייה בשל כניסה של עודף אור לעין.

ויסות לחץ הדם בגוף האדם

לחץ הדם הוא הלחץ שנוצר על ידי נוזל הדם על הדפנות של כלי הדם. הלחץ נשאר קבוע במצב תקין אך יכול לעלות באופן זמני עם עליית קצב הלב, ואו לעלות באופן קבוע באדם עם פגיעה באלסטיות של דפנות כלי הדם. במצב תקין, לחץ הדם מווסת על ידי מרכז עצבי הנמצא במוח המוארך בעקבות הפיקוח על קצב הלב. מאחר שלחץ הדם הוא פונקציה של נפח הדם במערכת הדם, הדחפים העצביים המתקבלים מקולטנים הנמצאים באבי העורקים גורמים להגברת הזרימה ולוויסות של לחץ הדם. נוסף לכך קיימת גם מערכת הורמונלית הידועה בשם רנין-אנגיוטנסין-אלדוסטרון (RAAS) האחראית על וויסות לחץ הדם.

ויסות רמת ה-pH בדם בגוף האדם

שמירה על דרגת pH קבועה בדם היא דוגמה נוספת של הומאוסטזיס. במצב נורמלי ה-pH בדם הוא בסביבות 7.4. האיזון של ה-pH נעשה בעזרת בופרים שהן תמיסות השומרות על pH קבוע. תמיסת הבופר העיקרית בנוזלי הגוף היא הבופר הפחמתי אשר נוצר כתוצאה מתגובה בין פחמן דו-חמצני למים והמתפרק ליון הביקרבונט.

הומאוסטזיס בצמחים

בדומה לבעלי חיים, צמחים קולטים גירויים חיצוניים הגורמים לשינויים המאפשרים לצמח לשמור על סביבה פנימית יציבה. התהליכים הקשורים בבקרה של צמיחה, בהתייחס לגודל הצמח, היחס בין חלקי הצמח השונים, מבוקרים על ידי הורמונים, ועל כן ניתן לראותם כמערכות הומאוסטאטיות של עולם הצומח, כגון, וויסות כמויות המים בצמח, וויסות פוטנציאל חמצון-חיזור-redox בתהליך הפוטוסינתזה

קישורים חיצוני

• הומאוסטאזיס, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית)