הומאוסטאזיס

הוֹמֵאוֹסְטָזִיס או מַצַּב אִזּוּן או מצב יציב (מיוונית: Homeostasis) הוא היכולת של האורגניזם לשמור על סביבה פנימית יציבה למרות השינויים שחלים בסביבה החיצונית. זהו שם גג למכלול של תהליכים ביוכימיים-מטבוליים, המשמרים רמה יציבה של חומרים המומסים בנוזלי הגוף, גם כאשר שינויים חלים בסביבה החיצונית ובסביבה הפנימית.

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

העיקרון

יציבות 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, ההומאוסטזיס מתבטא גם בשמירה על חום גוף קבוע בתוך גבולות צרים מאוד. טמפרטורת גוף תקינה של אדם בריא יכולה לנוע רק בעשיריות של מעלה סביב 37 מעלות צלזיוס, וסטייה של מעלה שלמה, ל-38 מעלות היא כבר עדות למחלה; בעוד שטמרפטורת האוויר סביבו יכולה להתנודד בין ערכים הרבה מתחת ל-0 ועד 40 מעלות ויותר. עם זאת, טמפרטורת גוף קבועה אינה חלק מההומאוסטזיס בכל שאר 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 על ידי מערכת העצבים המרכזית .

הומאוסטזה 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 איקריוטים ישנן גם ממברנות פנימיות השומרות בקביעות על תנאים ייחודיים באברוני התא שונים. במיטוכונדריה, למשל, נדרשת רמת חומציות שונה מזו שבחלל הכללי של התא.

ויסות חום הגוף

ויסות חום הגוף (הומיאותרמיות) הוא דוגמה ליציבות הסביבה הפנימית שחלה רק על יונקים ועופות. המשתנה המווּסת הוא הטמפרטורה של הדם, וחיישנים לכך ממוקמים בחלקים שונים של הגוף, לרבות ההיפותלמוס. 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 שפועלים תמידית על מנת לשמור על חום גוף קבוע, 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 להעברת חום גדולה יותר מהגוף לסביבה.
• הזעה - ההתאדות של הזיעה מקררת את העור ואת הדם שזורם מתחתיו.
• האטת קצב חילוף חומרים-תהליך אנרגטי הגורם לעלייה בטמפרטורת הגוף.

במצב של קור:

• הצרת כלי הדם ההיקפיים (ואזוקונסטריקציה פריפרית) ובכך הקטנת זרימת הדם אליהם - הדבר מקטין את איבוד החום לסביבה, אך גורם לתופעה של אף וידיים קרות.
• רעד שרירים - מפעיל את השרירים ובכך גורם ליצירת אנרגיית חום.

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 ובגלוקגון. 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 מאיזושהי סיבה 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 הפסק את האיזון בין כמות המים היוצאים מהגוף וכמות המים הנכנסים לגוף. כך 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 הוא RNA פעיל). יש חלבונים שמתבלים עם הזמן או שמיוצרים באופן פגום ויש לתקנם או לפרקם. עודף של חלבונים לא תקינים יכול לגרום לפעילות אנזימתית 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, אף על פי שחלק גדול מהם אינו משתנה במהותו, למרות שנתוני הקלט שמגיעים אליו על אודותם כן משתנים. לדוגמה, טורף עשוי להיראות שונה כאשר הוא עומד באור שמש מלא, באור זריחה ובאור הירח. עם זאת, האורגניזם חייב תמיד לזהות אותו כטורף, וזאת בתוך זמן קצר מאוד. לצורך זה, 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 גרוי הראייה למרות כמויות 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, כגון בלילות, באזור בלא תאורה מלאכותית, הקשתית פתוחה לחלוטין ומנגנון ויסות שני בעין מתחיל לעבוד. התאים שקולטים אור ביום, המדוכים, אינם רגישים מספיק 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 אדם או חיה העוסקים בענייניהם 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, ולעומת זאת לעלות באופן קבוע באדם שאצלו יש פגיעה באלסטיות של דפנות כלי הדם. במצב תקין, לחץ הדם מווסת על ידי מרכז עצבי הנמצא במוח המוארך, ויסות הנוצר בעקבות הפיקוח על קצב הלב. מאחר שלחץ הדם הוא פונקציה של נפח הדם במערכת, הדחפים העצביים המתקבלים מקולטנים הנמצאים באבי העורקים גורמים להגברת הזרימה ולוויסות של לחץ הדם. נוסף לכך קיימת גם מערכת הורמונלית הידועה בשם רנין-אנגיוטנסין .

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 pH נעשה בעזרת בופרים, תמיסות אשר שומרות על pH קבוע. תמיסת הבופר העיקרית בנוזלי הגוף היא הבופר הפחמתי המתפרק ליון הביקרבונט. הבופר הפחמתי נוצר בתגובה בין פחמן דו-חמצני למים.

הומאוסטזיס בצמחים

הצמחים קולטים גירויים, ובתגובה מתרחש שינוי המאפשר לצמח לשמור על סביבה פנימית יציבה. כמו כן, התהליכים הקשורים בבקרה של צמיחה הן לגבי גודל הצמח והן לגבי היחס בין חלקי הצמח השונים, מבוקרים, כמו בעלי חיים, על ידי הורמונים, ועל כן ניתן לראותם כמערכות הומאוסטאטיות של צמחים.