Homöostase und Regelkreise: wie der Körper seine Bedingungen stabilisiert

Stabilität entsteht im laufenden Austausch

Der Körper nimmt Stoffe auf, verteilt sie, wandelt sie um und gibt andere Stoffe ab. Ein über eine gewisse Zeit annähernd gleichbleibender Wert kann deshalb Ausdruck hoher Aktivität sein. Aufnahme und Abgabe beziehungsweise Produktion und Verbrauch gleichen sich im beobachteten Zustand ungefähr aus. Dieses Fließgleichgewicht unterscheidet sich von einem abgeschlossenen, reaktionslosen Zustand. [100]

Die extrazelluläre Flüssigkeit verbindet Versorgung und Entsorgung zwischen Blut und einzelnen Zellen. Enzyme, Membrantransporte und elektrische Signale reagieren auf ihre physikalisch-chemischen Bedingungen. Änderungen der Osmolalität können beispielsweise die Wasserverteilung über Zellmembranen und dadurch das Zellvolumen beeinflussen. Diese Zellwirkungen erklären den Nutzen übergeordneter Regulation. [101]

Zuerst die betrachtete Größe benennen

Ein Regelmodell beginnt mit einer konkreten Frage: Welche Größe wird betrachtet? Beispiele sind die Osmolalität des Plasmas, die arterielle Drucklage oder die Calciumkonzentration. Davon sind die Prozesse zu unterscheiden, deren Aktivität diese Größe beeinflusst. Wasseraufnahme und renale Wasserabgabe sind zwei verschiedene Beiträge zu einer gemeinsamen Wasserbilanz. [101][106]

Für eine Erklärung ist außerdem der betrachtete Raum wichtig. Intrazelluläres Calcium, Calcium im Blut und der gesamte Calciumvorrat des Körpers sind unterschiedliche Größen. Eine Veränderung des Membrantransports kann die lokale Zellkonzentration rasch ändern, während die Gesamtmenge im Körper eine andere Bilanz hat. Regelmodelle erhalten ihre Bedeutung erst durch diese genaue Zuordnung. [53][101]

Sensor, Signalweg und Effektor

Ein Sensor reagiert auf eine Eigenschaft der betrachteten Umgebung. Ein Signalweg übermittelt oder verarbeitet diese Information. Ein Effektor verändert einen Prozess, der auf die betrachtete Größe zurückwirkt. Im einfachen Schema werden diese Aufgaben als Kästen gezeichnet. In lebenden Systemen können mehrere Aufgaben in derselben Zelle liegen oder über viele Gewebe verteilt sein. [102][103]

Ein endokrines Beispiel ist eine Zelle, die ihre Umgebung chemisch erfasst und daraufhin ein Hormon freisetzt. Der Effektor kann eine entfernte Zielzelle sein, deren Transport- oder Stoffwechselleistung sich verändert. Bei einem nervalen Reflex liegen Rezeptor, afferenter Weg, zentrale Verschaltung, efferenter Weg und Zielorgan räumlich deutlicher auseinander. [53][103]

Negative Rückkopplung begrenzt eine Abweichung

Von negativer Rückkopplung spricht man, wenn die Wirkung einer Antwort der auslösenden Veränderung entgegenarbeitet. Ein anschauliches Beispiel ist eine Temperaturerhöhung, auf die wärmeabgebende Prozesse reagieren. Mit der abnehmenden Abweichung verändert sich auch der auslösende Antrieb. Die Schleife verknüpft einen beobachteten Zustand mit dessen weiterer Entwicklung. [102]

Das Wort negativ bezeichnet hier die entgegenwirkende Rückkopplung innerhalb der Schleife. Auch eine verringerte Aktivität kann Teil der stabilisierenden Antwort sein: Sinkt die Aktivierung eines gefäßverengenden Systems, kann dies eine vorher erhöhte Drucklage vermindern. Für das Vorzeichen der gesamten Rückkopplung müssen deshalb alle Zwischenschritte verfolgt werden. [100][103]

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Ein Beispiel: Blutdruck und Baroreflex

Dehnungssensible Rezeptoren im Bereich des Karotissinus und Aortenbogens erfassen die mechanischen Folgen des arteriellen Drucks. Ihre afferenten Signale erreichen medulläre Netzwerke. Von dort verändern sich unter anderem sympathische und parasympathische Einflüsse auf Herz sowie sympathische Einflüsse auf Gefäße. [100]

Bei einer entsprechenden Druckerhöhung kann die Reflexantwort Herzfrequenz, kardiale Antriebe und Gefäßwiderstand so beeinflussen, dass der Druckanstieg begrenzt wird. Die aktuelle Drucklage entsteht zugleich aus Herzleistung, Gefäßverhalten und weiteren Einflüssen. Das Reflexschema beschreibt eine schnelle stabilisierende Beziehung innerhalb dieses größeren Kreislaufgeschehens. [100][103]

Mehrere Antworten können dieselbe Größe beeinflussen

Die Wasserregulation verbindet endokrine und verhaltensbezogene Antworten. Steigt die wirksame Konzentration gelöster Stoffe im Plasma, reagieren osmosensitive neuronale Systeme. Sie beteiligen sich an der Freisetzung von Vasopressin und an der Entstehung von Durst. Vasopressin beeinflusst die Wasserabgabe der Niere; Trinken verändert die Zufuhr. [106]

Damit greifen zwei verschiedene Effektoren an unterschiedlichen Seiten der Bilanz an. Das Hormon beeinflusst die Rückhaltung von Wasser, während Verhalten neues Wasser verfügbar macht. Zusätzlich fließen Informationen über den Kreislaufzustand in die Regulation ein. Die Gewichtung der Antworten verändert sich mit der jeweiligen physiologischen Situation. [106]

Zeitverzögerung gehört zum Regelkreis

Zwischen Sensorantwort und Wirkung vergehen Zeit und mehrere Verarbeitungsschritte. Ein neuronaler Weg kann Zielgewebe rasch beeinflussen. Hormontransport, veränderte Genexpression und Gewebeumbau besitzen andere Zeitmaßstäbe. Dieselbe Störung kann deshalb eine schnelle Antwort und später eine länger anhaltende Anpassung auslösen. [53][103]

In einem einfachen Regelmodell kann eine verzögerte Antwort noch wirksam sein, obwohl sich die betrachtete Größe bereits verändert hat. Dadurch sind zeitweilige Über- und Unterschwingungen möglich. Ob ein realer Verlauf gedämpft, anhaltend schwankend oder anders organisiert ist, hängt von den Eigenschaften und Verknüpfungen der beteiligten Prozesse ab. [104]

In biochemischen Netzen können verzögerte negative Rückkopplung, passende Reaktionsgeschwindigkeiten und nichtlineare Antworten selbst fortlaufende Rhythmen ermöglichen. Eine solche Oszillation ist ein Verhalten des gesamten Netzes. Für ihre Erklärung werden Verknüpfungen, Reaktionsgeschwindigkeiten und Verzögerungen gemeinsam betrachtet. Der Unterschied zwischen gedämpfter Auslenkung und anhaltender Schwingung wird deshalb im Funktionsdetail ausdrücklich sichtbar gemacht. [104]

Sollwert und Arbeitsbereich sind Modelle

Der Begriff Sollwert ist eine nützliche Kurzform für eine durch Regulation bevorzugte Lage. Er kann auch einen Bereich beschreiben, innerhalb dessen nur geringe zusätzliche Gegenreaktionen auftreten. Eine solche Funktionsbeschreibung hilft, eine Rückkopplung grafisch darzustellen. Sie muss für den untersuchten physiologischen Zusammenhang präzisiert werden. [102][105]

In komplexen Systemen können mehrere Sensor-Effektor-Schleifen mit unterschiedlichen Schwellen gemeinsam die beobachtete Lage erzeugen. Fachmodelle sprechen dann beispielsweise von einem Gleichgewichts- oder Balancepunkt. Der Balancepunkt ergibt sich aus dem Zusammenwirken der beteiligten Schleifen. [105]

Auch die bevorzugte Lage kann sich verändern, etwa im Tagesverlauf oder mit einer veränderten physiologischen Anforderung. Für die Interpretation wird daher neben dem aktuellen Wert die Richtung der Effektorantwort betrachtet. Ein steigender Messwert kann aus äußerer Belastung, veränderter körpereigener Produktion oder geänderter regulatorischer Gewichtung entstehen. [105]

Vorausschauende Steuerung ergänzt die Rückmeldung

Bei Feedforward-Reaktionen wird eine Antwort durch Information über eine erwartete Anforderung ausgelöst. Teile der Herz-Kreislauf-Aktivierung können beispielsweise bereits mit der Vorbereitung auf körperliche Arbeit beginnen. Die später eintreffende Rückmeldung aus dem tatsächlichen Zustand ergänzt und korrigiert diese Vorsteuerung. [100][103]

Auch bei Durst und Vasopressin beeinflussen Signale rund um die Nahrungs- und Flüssigkeitsaufnahme die laufende Antwort, bevor die gesamte aufgenommene Flüssigkeit die Blutwerte verändert hat. Dafür werden äußere und innere Informationen zusammengeführt. Die Regulation arbeitet dadurch mit mehreren zeitlich versetzten Informationsquellen. [107]

Vorausschauende Informationen über eine Aufnahme sind besonders bei zeitverzögerten Stoffwegen nützlich. Zwischen dem Kontakt einer Flüssigkeit mit dem Mund, ihrer Aufnahme im Verdauungsweg und einer vollständigen Änderung des Blutmilieus liegen mehrere Schritte. Sensorische Signale der frühen Aufnahmephasen können die weitere Antwort daher schon beeinflussen, während die spätere innere Rückmeldung noch aussteht. [107]

Positive Rückkopplung verstärkt einen Vorgang

Bei positiver Rückkopplung verstärkt die Antwort den auslösenden Prozess. Ein klassisches Beispiel ist die wehenunterstützende Rückkopplung während der Geburt: Dehnungssignale können die Oxytocinfreisetzung und damit weitere Uteruskontraktionen unterstützen. Der Vorgang besitzt einen räumlich und zeitlich begrenzten physiologischen Zusammenhang. [102]

Eine solche Verstärkung benötigt passende Begrenzungen oder ein endendes auslösendes Ereignis. In biologischen Netzen können verstärkende Teilprozesse mit begrenzenden Rückkopplungen gekoppelt sein. Ein einzelner Pfeil mit Pluszeichen erklärt daher erst einen lokalen Kontakt. Die Dynamik des Gesamtsystems ergibt sich aus allen geschlossenen Wegen. [102][104]

Was Allostase zur Beschreibung beiträgt

Allostase wird verwendet, um Stabilität durch veränderte Aktivität und Anpassung zu beschreiben. Die Fachliteratur verwendet den Begriff teilweise unterschiedlich. Besonders aufschlussreich ist die Frage nach der Zusammenarbeit und den Kosten mehrerer Effektoren: Welche Antworten bleiben aktiv, welche konkurrieren miteinander, und unter welchen Anforderungen stellt sich eine neue Lage ein? [103][105]

Die Begriffe Homöostase und Allostase liefern somit Modelle zur Ordnung beobachteter Prozesse. Für einen konkreten Befund bleiben Messgröße, Umgebung, zeitlicher Verlauf und Effektoraktivität entscheidend. Das gilt im Experiment ebenso wie beim Vergleich von Ruhe, Tagesphasen und Belastung. [103][105]

So lässt sich ein physiologischer Regelkreis lesen

Eine hilfreiche Reihenfolge ist: betrachtete Größe und Raum festlegen, relevante Sensoren benennen, Signalwege verfolgen, Effektoren zuordnen und die Rückwirkung prüfen. Danach kommen Zeitverzögerungen, weitere Schleifen und vorausschauende Einflüsse hinzu. Auf diese Weise wird aus einer abstrakten Kreispfeilgrafik eine überprüfbare Erklärung körperlicher Regulation. [101][102][104]

Rückmeldung und Vorsteuerung vergleichen

Begriffe zum Weiterlesen

Regelgröße

Konkret benannte Eigenschaft eines bestimmten betrachteten Körperraums. [101]

Effektor

Zelle, Organ oder Verhalten, dessen Aktivität auf die betrachtete Größe zurückwirkt. [102] [103]

Rückkopplung

Geschlossener Wirkungsweg, über den eine Antwort ihre Ausgangsbedingungen verändert. [102] [103]

Feedforward

Vorsteuerung anhand von Information über eine erwartete Anforderung. [100] [103]

Oszillation

Wiederkehrender zeitlicher Verlauf eines verknüpften Systems. [104]

Balancepunkt

Bevorzugte Lage, die aus dem Zusammenwirken mehrerer Sensor-Effektor-Schleifen entstehen kann. [105]

Im Gesundheitswissen weiterlesen

• Hormonsystem: Wie Organe ihren Stoffwechsel gemeinsam steuern
• Das Nervensystem: Wahrnehmen, Verarbeiten und Handeln
• Das Kreislaufsystem
• Die Nieren: Aufbau, Harnbildung und Regulation