Canlılarda Homeostazi ve Mekanizmaları

En son güncellendiği tarih: Nis 9


Selen EMİRHANOĞLU - Biyomühendislik, Mühendislik Fakültesi, Marmara Üniversitesi

Homeostazi; 1926 yılında fizyolog Walter Cannon tarafından “The Wisdom of The Body” (Bedenin Bilgeliği) kitabında, 19. yüzyılın başlarında kanıta dayalı tıbbın önemini ortaya koyan laboratuvar çalışmalarıyla ünlü Fransız tıp profesörü Claude Bernard’ın deneylerinde “the constancy of the milieu intérieur” yani “iç çevrenin stabilitesi ya da değişmezliği” olarak verdiği tanımın detaylandırılması ile ortaya atılan, fizyolojide anahtar bir kavramdır. Latince’de “benzer” anlamına gelen “homeo” ile Yunanca’da “hareketsiz” anlamına gelen “statis” kelimelerinin birleşmesinden oluşmuş “homeostasis” fizyolojide, bir canlı organizmanın hücresel düzeydeki pek çok işlevinin dış çevredeki değişikliklere rağmen dinamik denge olarak bilinen dar bir iç dengeden sapmamak için çalışma hali şeklinde tanımlanmaktadır[1].

Şekil 1: Modern fizyoloji ve deneysel tıbbın kurucusu olarak kabul edilen Fransız tıp profesörü Claude Bernard[2].


Canlılar dış çevresi değişse de homeostazi ile uyumunu ve iç dengesini sağlıyor.

Tek hücreli mikroorganizmalardan milyarca hücrenin özelleşmiş organizasyonundan meydana gelen omurgalılara kadar tüm canlı çeşitleri yaşamlarına devam edebilmek için sürekli değişim içinde olan çevreye uyum sağlamak zorundadır. Örneğin bu uyum sürecinin makro boyutta gözlemlenebildiği omurgalı hayvanlarda, mikro boyuttaki hücre içi (intrasellüler) sıvıların dışında kan damarlarıyla besin, gaz ve atık alışverişinin gerçekleştiği, hücrelerin organizasyonu olan dokuların arasında (ekstrasellüler) sıvı bulunur. Omurgalı hayvanların canlılığını koruyabilmesi için büyük çevresel değişimlerle karşılaşılsa da bu hücre içi ve dışı sıvı bileşiminin değişmez kalması gereklidir. Dokulardaki sıvı bileşiminin değişmez kalması, bu sıvı ortamlarında bulunan çözünmüş gazların (O2 ve CO2), elektrolitlerin (iyonların) miktarları ve bu maddelerin taşınmasında rol oynayan kana özgü glikoz düzeyi, basınç gibi parametrelerin belli bir normal sınır aralığında korunması anlamına gelir. Bu parametrelerden biri veya birden fazlası sınır aralığının dışına çıktığında homeostatik mekanizmalar devreye girer. Bu mekanizmaların çalışma süreçleri dengesi bozulan parametrelerin normal sınır aralığına gelmesini sağlayan fizyolojik yapıların kontrol mekanizmalarına göre değişiklik gösterir[3].


Homeostazi Kontrol Mekanizmaları: Negatif ve Pozitif Geri Bildirim

Homeostazi mekanizmalarının çoğu, bir sürecin çıktılarının aynı sürecin girdisi haline gelerek süreci durdurucu özelliğe sahip olması ile negatif geri bildirim tipi kontrole dayanmaktadır. Bu kontrol tipi, evlerde ısıtma sistemlerinin sahip olduğu mekanizma ile özdeşleştirilebilir. Evdeki ısıtma sistemi dışarıda ne denli ısı değişimi olursa olsun, içerideki sıcaklığın görece olarak sabit kalmasını sağlamaktadır. Bu sistemin anahtar unsuru, termostat denilen bir kontrol merkezinin ısı kontrolünü elinde bulundurarak sıcaklığı izlemesidir. Oda sıcaklığı ayarlanmış değerin altına düştüğünde termostat ısıtıcıyı açmakta, üstüne çıktığında ise ısıtıcıyı kapatmaktadır. Yani sürecin sonucu olarak, ortam sıcaklığının artması, ısıtıcının kapatılmasına sebep olarak aynı süreci durdurmaktadır[4].

Şekil 2: Negatif geri bildirime bir örnek: Oda sıcaklığının kontrolü[4]

Benzer şekilde insan gibi omurgalıların vücudunda da vücut sıcaklığının sabit kalmasını sağlayan negatif geri bildirimle çalışan bir “termostat” mekanizması vardır. Bu mekanizma, homeostazi kontrolünü elinde bulunduran sinir sistemi ve endokrin sistemin birlikte çalışmasıyla sürdürülmektedir.


Omurgalılarda “Termostat” Mekanizması Nasıl İşliyor?

Canlıların çok düşük veya çok yüksek sıcaklıktaki ortamlarda bulunduklarında ya da enfeksiyon gibi bağışıklık sistemiyle ilişkilendirilen yüksek iç sıcaklıkta metabolik işlevlerini normal bir şekilde yürütebilmeleri için vücut sıcaklığını kontrol eden bir homeostatik mekanizmaya ihtiyaçları vardır. Bu homeostatik mekanizma, termoregülasyon olarak adlandırılır ve merkezi sinir sistemi organı olan beynin kontrol üssü hipotalamus tarafından yönetilir. Hipotalamusta termoregülasyon mekanizması, merkezi ve çevresel sinir sisteminin termoreseptörleri ile vücut içi (organların sıcaklığı vb.) ve deri sıcaklığını kontrol eden ısı düşürücü ve ısı yükseltici sistemlerin birleşmesinden meydana gelmiştir. Vücut sıcaklığı normalin altına düştüğünde, hipotalamus motor nöronlar ve simpatik sinirler aracılığıyla (nörotransmitterlerin ve enzimlerin salınımıyla), deri yüzeyine yakın kan damarlarının daralması, kasların titremesi ve metabolik hızın artması yönünde sıcaklığın artmasını sağlayacak elektriksel ve kimyasal uyarılar gönderir. Öte yandan vücut sıcaklığının normalin üstüne çıkması durumunda sıcaklığı düşürmek için kan damarlarının genişlemesi ve ter salgılanması yönünde uyarılar gönderilir. Bu şekildeki fizyolojik adaptasyonların dışında termoregülasyon; kürk, yağ ve tüyler gibi anatomik adaptasyonlar ile suya girme, kış uykusu, güneşten kaçma ve giysileri çıkarma gibi omurgalı canlıların türüne özgü davranışsal adaptasyonlar ile de sağlanır[4].


Balıklar, amfibiler ve sürüngenler gibi omurgasızların ise vücut sıcaklıkları değişkendir ve davranışsal adaptasyonlarla gerçekleşen ilkel termoregülasyon mekanizmaları vardır[4].

Şekil 3: İnsan vücudunda termoregülasyon[4]

Canlı organizmalar negatif geri bildirime mekanizmasına göre daha seyrek olarak bir sürecin çıktılarının aynı sürecin devamlılığını güçlendirdiği pozitif geri bildirimi kullanılmaktadır. Örneğin insan vücudunda bir damar hasat gördüğünde uyarılan trombositler ağ şeklinde bir pıhtı oluştururlar ve uyarılmış trombositler saldıkları kimyasallarla pozitif geri bildirim sağlayarak çevrelerindeki inaktif trombositleri etkinleştirerek pıhtının giderek büyümesinde, damardaki hasarı kapatacak boyuta ulaşmasında rol oynarlar[4].


Şekil 4: Enzimatik bir süreçte negatif ve pozitif geri bildirim mekanizmasının şematik gösterimi[4]

Omurgalılar gibi sistemsel organizasyonları gelişmiş canlılarda homeostazi; sinir, endokrin, dolaşım, sindirim ve boşaltım sistemlerinin uyum içinde çalışması için sıcaklığın ayarlandığı termoregülasyon mekanizmalarının dışında farklı parametreler için de farklı mekanizmalar ile sağlanır. Bu mekanizmalara diğer bir örnek, ozmoregülasyondur. Ozmoregülasyon, hücresel düzeyden sistemlerin çalışmasını etkileyen su kazanımının, kaybının, NaCl ve diğer tuzların iyonları gibi çözünmüş maddelerin giriş ve çıkışının kontrolüdür. Ozmoregülasyon, büyük ölçüde çözünenlerin kontrolüne dayanır; çünkü su ozmosla çözünenlerin hareketini izler. Ozmos, bir hücrenin geçirgen zarı ile birbirinden ayrılmış iki ayrı çözeltide toplam çözünen konsantrasyonları farklı olduğunda gerçekleşir. Suyun daima düşük çözünen konsantrasyonuna sahip çözeltiden, daha yüksek çözünen konsantrasyonuna sahip çözeltiye doğru net bir hareketi vardır[4].

Şekil 5: Ozmos[4]

Boşaltım sistemi, gelişmiş bir ozmoregülasyon mekanizmasıdır.

Tuzlu su balıkları gibi omurgasızların suyu pasif olarak alıp fazla tuzu solungaçlarından dışarıya pompaladıkları, çok az miktarda yoğunlaştırılmış idrar çıkardıkları osmoregülasyon sistemine karşılık insan gibi omurgalılarda bu işlevi gören gelişmiş bir boşaltım sistemi bulunur. Boşaltım sistemi, diğer sistemlerle işlevsel olarak bağlantılı olup su dengesinin korunması ve atıkların uzaklaştırılmasında rol oynar. Boşaltım sisteminin ana merkezi olan böbrekler, tübüller ve karmaşık yapıdaki kılcal damarlardan oluşan yapı birimi nefronlarında kanı süzerek, plazma kısmında yani süzüntüde geri kazandırılması gereken maddelerin (su ve glikoz vb.) emilimini ve başta protein, nükleik asitlerin parçalanma ürünü üre olmak üzere atılması gereken maddelerin sırasıyla üreter ve mesaneden geçerek üretra ile uzaklaştırılmasını sağlarlar[4].

Şekil 6: İnsan boşaltım sistemi anatomisi[4].

Sonuç olarak homeostazi, hücre içi organellerden hücrelere, dokuya, sisteme ve bütünüyle organizmanın verdiği entegre tepkiye kadar birçok seviyede geçerli olan hayati mekanizmadır. Fizyolojide denge bozulduğunda yani homeostazi ters gittiğinde patofizyoloji ortaya çıkar. Tıpkı Claude Bernard'ın bir yüzyıldan uzun bir süre önce fark ettiği gibi, etkili tıbbi tedavi sağlamanın anahtarı, öncelikle altta yatan bu patofizyolojiyi ve işlerin nerede ters gittiğini anlamaktır. O günden bugüne fizyologlar moleküler düzeyde canlılık üzerine çalışmalar yapan araştırmacılarla birlikte; homeostazideki sorunları farklı seviyelerde keşfetmek, altta yatan patofizyolojiyi daha iyi anlamak için bulgularını tercüme etmek ve daha sonra da homeostaziyi eski haline getirmek için potansiyel terapötik stratejiler geliştirmeye devam etmektedir[1].






Referanslar

1. Sieck, G. C. (2021). Physiology in Perspective: Harnessing Homeostasis. 19 Mart 2021 tarihinde, https://doi.org/10.1152/physiol.00003.2021 adresinden erişilmiştir.

2.Claude Bernard, detail of a lithograph by A. Laemlein, 1858

Ulusal Tıp Kütüphanesi'nin izniyle yayımlanan A. Laemlein’ne ait Claude Bernard’ın detaylı litografik (taş baskı) portresi, Bethesda, Maryland, 1858. (Şekil 1) 20 Mart 2021 tarihinde, https://www.britannica.com/biography/Claude-Bernard adresinden erişilmiştir.

3. Gyton A.C., Hall J.E. (2001), Tıbbi Fizyoloji (Çev: H. Çavuşoğlu, B. Çağlayan Yeğen, Z. Aydın, İ. Alican), Tavaslı Matbaacılık, Onuncu Baskı, İstanbul, 2-7.

4. Simon, E. J., Dickey, J., Reece, J. B., & Burton, R. A. (2016). Campbell Essential Biology with Physiology. Chapter 21 Unifying Concepts of Animal Structure and Function, Pearson, 460-471. (Şekil 2, 3 ve 4’ te esinlenilmiş, Şekil 5 ve 6 doğrudan alınmış ve düzenlenmiştir.)