33.3: Homeostasis
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Habilidades para Desarrollar
- Definir homeostasis
- Describir los factores que afectan a la homeostasis
- Discutir los mecanismos de retroalimentación positiva y negativa utilizados en la homeostasis
- Describir la termorregulación de animales endotérmicos y ectotérmicos
Los órganos y sistemas de órganos animales se ajustan constantemente a los cambios internos y externos a través de un proceso llamado homeostasis (“estado estacionario”). Estos cambios podrían estar en el nivel de glucosa o calcio en sangre o en temperaturas externas. La homeostasis significa mantener el equilibrio dinámico en el cuerpo. Es dinámico porque se ajusta constantemente a los cambios que encuentran los sistemas del cuerpo. Es equilibrio porque las funciones corporales se mantienen dentro de rangos específicos. Incluso un animal aparentemente inactivo está manteniendo este equilibrio homeostático.
Proceso Homeostático
El objetivo de la homeostasis es el mantenimiento del equilibrio alrededor de un punto o valor llamado punto de ajuste. Si bien hay fluctuaciones normales desde el punto de ajuste, los sistemas del cuerpo generalmente intentarán remontarse a este punto. Un cambio en el ambiente interno o externo se llama estímulo y es detectado por un receptor; la respuesta del sistema es ajustar el parámetro de desviación hacia el punto de ajuste. Por ejemplo, si el cuerpo se calienta demasiado, se hacen ajustes para enfriar al animal. Si la glucosa de la sangre aumenta después de una comida, se hacen ajustes para bajar el nivel de glucosa en sangre al introducir el nutriente en los tejidos que lo necesitan o para almacenarlo para su uso posterior.
Control de Homeostasis
Cuando ocurre un cambio en el ambiente de un animal, se debe hacer un ajuste. El receptor detecta el cambio en el ambiente, luego envía una señal al centro de control (en la mayoría de los casos, el cerebro) que a su vez genera una respuesta que es señalada a un efector. El efector es un músculo (que se contrae o relaja) o una glándula que secreta. La homeostatsis se mantiene mediante bucles de retroalimentación negativa. Los bucles de retroalimentación positiva realmente empujan al organismo más lejos de la homeostasis, pero pueden ser necesarios para que ocurra la vida. La homeostasis es controlada por el sistema nervioso y endocrino de los mamíferos.
Mecanismos de retroalimentación negativa
Cualquier proceso homeostático que cambie la dirección del estímulo es un bucle de retroalimentación negativa. Puede aumentar o disminuir el estímulo, pero no se permite que el estímulo continúe como lo hacía antes de que el receptor lo percibiera. Es decir, si un nivel es demasiado alto, el cuerpo hace algo para bajarlo, y a la inversa, si un nivel es demasiado bajo, el cuerpo hace algo para que suba. De ahí el término retroalimentación negativa. Un ejemplo es el mantenimiento animal de los niveles de glucosa en sangre. Cuando un animal ha comido, los niveles de glucosa en sangre aumentan. Esto es percibida por el sistema nervioso. Las células especializadas en el páncreas lo perciben, y la hormona insulina es liberada por el sistema endocrino. La insulina hace que los niveles de glucosa en sangre disminuyan, como se esperaría en un sistema de retroalimentación negativa, como se ilustra en la Figura\(\PageIndex{1}\). Sin embargo, si un animal no ha comido y los niveles de glucosa en sangre disminuyen, esto se detecta en otro grupo de células del páncreas, y la hormona glucagón se libera provocando que los niveles de glucosa aumenten. Esto sigue siendo un bucle de retroalimentación negativa, pero no en la dirección esperada por el uso del término “negativo”. Otro ejemplo de un aumento como resultado del bucle de retroalimentación es el control del calcio en sangre. Si los niveles de calcio disminuyen, las células especializadas en la glándula paratiroidea perciben esto y liberan la hormona paratiroidea (PTH), provocando una mayor absorción de calcio a través de los intestinos y los riñones y, posiblemente, la descomposición del hueso para liberar calcio. Los efectos de la PTH son elevar los niveles sanguíneos del elemento. Los bucles de retroalimentación negativa son el mecanismo predominante utilizado en la homeostasis.
Bucle de retroalimentación positiva
Un bucle de retroalimentación positiva mantiene la dirección del estímulo, posiblemente acelerándolo. Pocos ejemplos de bucles de retroalimentación positiva existen en los cuerpos de los animales, pero uno se encuentra en la cascada de reacciones químicas que resultan en coagulación de la sangre, o coagulación. A medida que se activa un factor de coagulación, activa el siguiente factor en secuencia hasta lograr un coágulo de fibrina. Se mantiene la dirección, no se cambia, por lo que se trata de una retroalimentación positiva. Otro ejemplo de retroalimentación positiva son las contracciones uterinas durante el parto, como se ilustra en la Figura\(\PageIndex{2}\). La hormona oxitocina, producida por el sistema endocrino, estimula la contracción del útero. Esto produce dolor detectado por el sistema nervioso. En lugar de bajar la oxitocina y hacer que el dolor disminuya, se produce más oxitocina hasta que las contracciones son lo suficientemente potentes como para producir el parto.
Ejercicio
Indique si cada uno de los siguientes procesos está regulado por un bucle de retroalimentación positiva o un bucle de retroalimentación negativa.
- Una persona se siente saciada después de comer una comida grande.
- La sangre tiene muchos glóbulos rojos. En consecuencia, la eritropoyetina, hormona que estimula la producción de nuevos glóbulos rojos, ya no se libera del riñón.
- Responder
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Ambos procesos son el resultado de bucles de retroalimentación negativa. Los bucles de retroalimentación negativa, que tienden a mantener un sistema en equilibrio, son más comunes que los bucles de retroalimentación positiva.
Punto de ajuste
Es posible ajustar el punto de ajuste de un sistema. Cuando esto sucede, el bucle de retroalimentación funciona para mantener la nueva configuración. Un ejemplo de esto es la presión arterial: con el tiempo, el punto normal o establecido para la presión arterial puede aumentar como resultado de aumentos continuos de la presión arterial. El cuerpo ya no reconoce la elevación como anormal y no se intenta regresar al punto de ajuste inferior. El resultado es el mantenimiento de una presión arterial elevada que puede tener efectos nocivos en el organismo. La medicación puede disminuir la presión arterial y bajar el punto de ajuste en el sistema a un nivel más saludable. Esto se denomina proceso de alteración del punto de ajuste en un bucle de retroalimentación.
Se pueden realizar cambios en un grupo de sistemas de órganos corporales para mantener un punto de ajuste en otro sistema. Esto se llama aclimatación. Esto ocurre, por ejemplo, cuando un animal migra a una altitud mayor a la que está acostumbrado. Con el fin de ajustarse a los niveles más bajos de oxígeno a la nueva altitud, el cuerpo aumenta el número de glóbulos rojos que circulan en la sangre para asegurar una adecuada entrega de oxígeno a los tejidos. Otro ejemplo de aclimatación son los animales que tienen cambios estacionales en sus abrigos: un pelaje más pesado en invierno asegura una adecuada retención de calor, y un abrigo ligero en verano ayuda a evitar que la temperatura corporal suba a niveles dañinos.
Enlace al aprendizaje
Los mecanismos de retroalimentación se pueden entender en términos de conducir un auto de carreras por una pista: vea una breve lección en video sobre los bucles de retroalimentación positiva y negativa.
Homeostasis: Termorregulación
La temperatura corporal afecta las actividades corporales. Generalmente, a medida que aumenta la temperatura corporal, la actividad enzimática también aumenta. Por cada aumento de temperatura de diez grados centígrados, la actividad enzimática se duplica, hasta cierto punto. Las proteínas corporales, incluidas las enzimas, comienzan a desnaturalizarse y pierden su función con altas temperaturas (alrededor de 50 o C para los mamíferos). La actividad enzimática disminuirá a la mitad por cada caída de temperatura de diez grados centígrados, hasta el punto de congelarse, con algunas excepciones. Algunos peces pueden soportar el congelamiento sólido y volver a la normalidad con la descongelación.
Enlace al aprendizaje
Mire este video de Discovery Channel sobre termorregulación para ver ilustraciones de este proceso en una variedad de animales.
Endotermas y Ectotermas
Los animales se pueden dividir en dos grupos: algunos mantienen una temperatura corporal constante ante diferentes temperaturas ambientales, mientras que otros tienen una temperatura corporal que es la misma que su ambiente y por lo tanto varía con el ambiente. Los animales que no controlan su temperatura corporal son ectotermos. A este grupo se le ha llamado de sangre fría, pero el término puede no aplicarse a un animal en el desierto con una temperatura corporal muy cálida. A diferencia de los ectotermos, que dependen de temperaturas externas para establecer sus temperaturas corporales, los poiquilotermos son animales con temperaturas internas constantemente variables. Un animal que mantiene una temperatura corporal constante ante los cambios ambientales se llama homeotherm. Las endotermas son animales que dependen de fuentes internas para la temperatura corporal pero que pueden exhibir temperaturas extremas. Estos animales son capaces de mantener un nivel de actividad a temperatura más fría, lo que un ectotermo no puede debido a los diferentes niveles de actividad enzimática.
El calor se puede intercambiar entre un animal y su ambiente a través de cuatro mecanismos: radiación, evaporación, convección y conducción (Figura\(\PageIndex{3}\)). La radiación es la emisión de ondas electromagnéticas de “calor”. El calor viene del sol de esta manera e irradia de la piel seca de la misma manera. El calor se puede eliminar con líquido de una superficie durante la evaporación. Esto ocurre cuando un mamífero suda. Las corrientes de aire de convección eliminan el calor de la superficie de la piel seca a medida que el aire pasa sobre ella. El calor se conducirá de una superficie a otra durante el contacto directo con las superficies, como un animal que descansa sobre una roca cálida.
Conservación y disipación del calor
Los animales conservan o disipan el calor de diversas maneras. En ciertos climas, los animales endotérmicos tienen alguna forma de aislamiento, como pelaje, grasa, plumas, o alguna combinación de los mismos. Los animales con pelaje grueso o plumas crean una capa aislante de aire entre su piel y sus órganos internos. Los osos polares y las focas viven y nadan en un ambiente bajo cero y, sin embargo, mantienen una temperatura corporal constante y cálida. El zorro ártico, por ejemplo, utiliza su cola esponjosa como aislamiento adicional cuando se acurruca para dormir en clima frío. Los mamíferos tienen un efecto residual por los escalofríos y el aumento de la actividad muscular: los músculos arrectores del pili causan la “piel de gallina”, lo que provoca que los pelos pequeños se levanten cuando el individuo está frío; esto tiene el efecto pretendido de aumentar la temperatura corporal. Los mamíferos utilizan capas de grasa para lograr el mismo fin. La pérdida de cantidades significativas de grasa corporal comprometerá la capacidad de un individuo para conservar el calor.
Las endotermas utilizan sus sistemas circulatorios para ayudar a mantener la temperatura corporal. La vasodilatación aporta más sangre y calor a la superficie corporal, facilitando la radiación y la pérdida de calor evaporativo, lo que ayuda a enfriar el cuerpo. La vasoconstricción reduce el flujo sanguíneo en los vasos sanguíneos periféricos, forzando la sangre hacia el núcleo y los órganos vitales que allí se encuentran, y conservando el calor. Algunos animales tienen adaptaciones a su sistema circulatorio que les permiten transferir calor de las arterias a las venas, calentando la sangre que regresa al corazón. Esto se llama intercambio de calor a contracorriente; evita que la sangre venosa fría enfríe el corazón y otros órganos internos. Esta adaptación se puede apagar en algunos animales para evitar el sobrecalentamiento de los órganos internos. La adaptación a contracorriente se encuentra en muchos animales, incluidos delfines, tiburones, peces óseos, abejas y colibríes. Por el contrario, adaptaciones similares pueden ayudar a enfriar las endotermas cuando sea necesario, como trematas de delfín y orejas de elefante.
Algunos animales ectotérmicos utilizan cambios en su comportamiento para ayudar a regular la temperatura corporal. Por ejemplo, un animal ectotérmico del desierto puede simplemente buscar áreas más frías durante la parte más calurosa del día en el desierto para evitar que se caliente demasiado. Los mismos animales pueden trepar a las rocas para capturar el calor durante una noche fría en el desierto. Algunos animales buscan agua para ayudar a la evaporación al enfriarlos, como se ve con los reptiles. Otros ectotermos utilizan actividad grupal como la actividad de las abejas para calentar una colmena y sobrevivir al invierno.
Muchos animales, especialmente los mamíferos, utilizan el calor residual metabólico como fuente de calor. Cuando los músculos se contraen, la mayor parte de la energía del ATP utilizada en las acciones musculares es energía desperdiciada que se traduce en calor. El frío severo provoca un reflejo escalofriante que genera calor para el cuerpo. Muchas especies también tienen un tipo de tejido adiposo llamado grasa marrón que se especializa en generar calor.
Control Neural de la Termorregulación
El sistema nervioso es importante para la termorregulación, como se ilustra en la Figura\(\PageIndex{4}\). Los procesos de homeostasis y control de temperatura se centran en el hipotálamo del cerebro animal avanzado.
Ejercicio
Cuando las bacterias son destruidas por los leuckocitos, los pirógenos se liberan en la sangre. Los pirógenos restablecen el termostato del cuerpo a una temperatura más alta, lo que resulta en fiebre. ¿Cómo podrían los pirógenos hacer que la temperatura corporal suba?
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Los pirógenos aumentan la temperatura corporal al hacer que los vasos sanguíneos se contraigan, inducen escalofríos y evitan que las glándulas sudoríparas secreten líquido.
El hipotálamo mantiene el punto de consigna para la temperatura corporal a través de reflejos que provocan vasodilatación y sudoración cuando el cuerpo está demasiado caliente, o vasoconstricción y escalofríos cuando el cuerpo está demasiado frío. Responde a los químicos del cuerpo. Cuando una bacteria es destruida por leucocitos fagocíticos, los químicos llamados pirógenos endógenos se liberan en la sangre. Estos pirógenos circulan hacia el hipotálamo y restablecen el termostato. Esto permite que la temperatura del cuerpo aumente en lo que comúnmente se llama fiebre. Un aumento en la temperatura corporal provoca que se conserve el hierro, lo que reduce un nutrimento que necesitan las bacterias. Un aumento en el calor corporal también aumenta la actividad de las enzimas del animal y las células protectoras al tiempo que inhibe las enzimas y la actividad de los microorganismos invasores. Finalmente, el calor mismo también puede matar al patógeno. Una fiebre que alguna vez se pensaba que era una complicación de una infección ahora se entiende como un mecanismo de defensa normal.
Resumen
La homeostasis es un equilibrio dinámico que se mantiene en los tejidos y órganos del cuerpo. Es dinámico porque se ajusta constantemente a los cambios que encuentran los sistemas. Está en equilibrio porque las funciones corporales se mantienen dentro de un rango normal, con algunas fluctuaciones alrededor de un punto de ajuste para los procesos.
Glosario
- aclimatación
- alteración en un sistema corporal en respuesta al cambio ambiental
- alteración
- cambio del punto de ajuste en un sistema homeostático
- homeostasis
- equilibrio dinámico manteniendo las funciones corporales apropiadas
- bucle de retroalimentación negativa
- retroalimentación a un mecanismo de control que aumenta o disminuye un estímulo en lugar de mantenerlo
- bucle de retroalimentación positiva
- retroalimentación a un mecanismo de control que continúa la dirección de un estímulo
- punto de ajuste
- punto medio o punto objetivo en la homeostasis
- termorregulación
- regulación de la temperatura corporal