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10.7 : Homéostasie et rétroaction - Biologie

10.7 : Homéostasie et rétroaction - Biologie


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Stable comme elle va

Cet appareil a l'air simple, mais il contrôle un système complexe qui maintient une maison à une température constante. L'appareil est un thermostat à l'ancienne. Le cadran indique la température actuelle dans la pièce et permet également à l'occupant de régler le thermostat à la température désirée. Un thermostat est un modèle couramment cité de la façon dont les systèmes vivants, y compris le corps humain, maintiennent un état stable appelé homéostasie.

Qu'est-ce que l'homéostasie ?

L'homéostasie est la condition dans laquelle un système tel que le corps humain est maintenu dans un état plus ou moins stable. C'est le travail des cellules, des tissus, des organes et des systèmes d'organes dans tout le corps de maintenir de nombreuses variables différentes dans des plages étroites qui sont compatibles avec la vie. Maintenir un environnement interne stable nécessite une surveillance continue de l'environnement interne et des ajustements constants pour maintenir l'équilibre.

Point de consigne et plage normale

Pour toute variable donnée, telle que la température corporelle ou la glycémie, il existe une point de consigne c'est la valeur physiologique optimale. Par exemple, le point de consigne pour la température du corps humain est d'environ 37 ºC (98,6 ºF). Lorsque le corps travaille pour maintenir l'homéostasie de la température ou de toute autre variable interne, la valeur fluctue généralement autour du point de consigne. De telles fluctuations sont normales tant qu'elles ne deviennent pas trop extrêmes. La dispersion des valeurs à l'intérieur de laquelle de telles fluctuations sont considérées comme insignifiantes est appelée la plage normale. Dans le cas de la température corporelle, par exemple, la plage normale pour un adulte est d'environ 36,5 à 37,5 ºC (97,7 à 99,5 ºF).

Maintien de l'homéostasie

L'homéostasie est normalement maintenue dans le corps humain par un acte d'équilibre extrêmement complexe. Quelle que soit la variable maintenue dans sa plage normale, le maintien de l'homéostasie nécessite au moins quatre composants en interaction : le stimulus, le capteur, le centre de contrôle et l'effecteur.

  1. Les stimulus est fourni par la variable qui est régulée. Généralement, le stimulus indique que la valeur de la variable s'est éloignée du point de consigne ou a quitté la plage normale.
  2. Les capteur surveille les valeurs de la variable et envoie des données sur celle-ci au centre de contrôle.
  3. Les centre de contrôle fait correspondre les données aux valeurs normales. Si la valeur n'est pas au point de consigne ou est en dehors de la plage normale, le centre de contrôle envoie un signal à l'effecteur.
  4. Les effecteur est un organe, une glande, un muscle ou une autre structure qui agit sur le signal du centre de contrôle pour ramener la variable vers le point de consigne.

Chacun de ces composants est illustré dans la figure (PageIndex{2}). Le diagramme de gauche est un modèle général montrant comment les composants interagissent pour maintenir l'homéostasie. Le stimulus active le capteur. Le capteur active le système de contrôle qui régule l'effecteur. Le diagramme de droite montre l'exemple de la température corporelle. D'après les diagrammes, vous pouvez voir que le maintien de l'homéostasie implique une rétroaction, qui est une donnée qui permet de contrôler une réponse. Une température corporelle élevée peut stimuler le centre de régulation de la température du cerveau pour activer les glandes sudoripares afin de faire baisser la température corporelle. Lorsque la température corporelle atteint la plage normale, elle agit comme une rétroaction négative pour arrêter le processus. Les commentaires peuvent être négatifs ou positifs. Tous les mécanismes de rétroaction qui maintiennent l'homéostasie utilisent une rétroaction négative. Les exemples biologiques de rétroaction positive sont beaucoup moins courants.

Retours négatifs

Dans un boucle de rétroaction négative, la rétroaction sert à réduire une réponse excessive et à maintenir une variable dans la plage normale. Des exemples de processus contrôlés par rétroaction négative comprennent la régulation de la température corporelle et le contrôle de la glycémie.

Température corporelle

La régulation de la température corporelle implique une rétroaction négative, qu'elle abaisse ou augmente la température (Figure (PageIndex{3})).

Retour au calme

Le centre de régulation de la température du corps humain est l'hypothalamus dans le cerveau. Lorsque l'hypothalamus reçoit des données de capteurs de la peau et du cerveau indiquant que la température corporelle est supérieure au point de consigne, il déclenche les réponses suivantes :

  • Les vaisseaux sanguins de la peau se dilatent (vasodilatation) pour permettre à plus de sang provenant du noyau chaud du corps de s'écouler près de la surface du corps, de sorte que la chaleur peut être irradiée dans l'environnement.
  • À mesure que le flux sanguin vers la peau augmente, les glandes sudoripares de la peau sont activées pour augmenter leur production de sueur (diaphorèse). Lorsque la sueur s'évapore de la surface de la peau dans l'air ambiant, elle emporte la chaleur avec elle.
  • La respiration devient plus profonde et la personne peut respirer par la bouche au lieu des voies nasales. Cela augmente la perte de chaleur des poumons.

Chauffer

Lorsque le centre de régulation de la température du cerveau reçoit des données indiquant que la température corporelle est inférieure au point de consigne, il déclenche les réponses suivantes :

  • Les vaisseaux sanguins de la peau se contractent (vasoconstriction) pour empêcher le sang de s'écouler près de la surface du corps. Cela réduit les pertes de chaleur de la surface.
  • Lorsque la température baisse, des signaux aléatoires envoyés aux muscles squelettiques sont déclenchés, les faisant se contracter. Cela provoque des frissons, qui génèrent une petite quantité de chaleur.
  • La glande thyroïde peut être stimulée par le cerveau (via l'hypophyse) pour sécréter plus d'hormones thyroïdiennes. Cette hormone augmente l'activité métabolique et la production de chaleur dans les cellules de tout le corps.
  • Les glandes surrénales peuvent également être stimulées pour sécréter l'hormone adrénaline. Cette hormone provoque la dégradation du glycogène (le glucide utilisé pour le stockage de l'énergie chez les animaux) en glucose, qui peut être utilisé comme source d'énergie. Ce processus chimique catabolique est exothermique, ou produisant de la chaleur.

Glucose sanguin

Dans le contrôle du taux de glucose dans le sang, certaines cellules endocrines du pancréas, appelées cellules alpha et bêta, détectent le taux de glucose dans le sang. Ensuite, ils réagissent de manière appropriée pour maintenir le niveau de glucose dans le sang dans la plage normale.

  • Si le taux de glucose dans le sang dépasse la plage normale, les cellules bêta pancréatiques libèrent l'hormone insuline dans la circulation sanguine. L'insuline signale aux cellules d'absorber l'excès de glucose dans le sang jusqu'à ce que le niveau de glucose sanguin retombe dans la plage normale.
  • Si la glycémie tombe en dessous de la normale, les cellules alpha pancréatiques libèrent l'hormone glucagon dans la circulation sanguine. Le glucagon signale aux cellules de décomposer le glycogène stocké en glucose et de libérer le glucose dans le sang jusqu'à ce que le niveau de glucose dans le sang atteigne la plage normale.

Commentaire positif

Dans un boucle de rétroaction positive, la rétroaction sert à intensifier une réponse jusqu'à ce qu'un point final soit atteint. Des exemples de processus contrôlés par une rétroaction positive dans le corps humain comprennent la coagulation du sang et l'accouchement.

La coagulation du sang

Lorsqu'une plaie provoque un saignement, le corps réagit par une boucle de rétroaction positive pour coaguler le sang et arrêter la perte de sang. Les substances libérées par la paroi du vaisseau sanguin blessé commencent le processus de coagulation du sang. Les plaquettes dans le sang commencent à s'accrocher au site blessé et libèrent des produits chimiques qui attirent des plaquettes supplémentaires. Au fur et à mesure que les plaquettes continuent de s'accumuler, davantage de produits chimiques sont libérés et davantage de plaquettes sont attirées vers le site du caillot. La rétroaction positive accélère le processus de coagulation jusqu'à ce que le caillot soit suffisamment gros pour arrêter le saignement.

Accouchement

La figure (PageIndex{4}) montre la boucle de rétroaction positive qui contrôle l'accouchement. Le processus commence normalement lorsque la tête du nourrisson pousse contre le col de l'utérus. Cela stimule les impulsions nerveuses, qui voyagent du col de l'utérus à l'hypothalamus dans le cerveau. En réponse, l'hypothalamus envoie l'hormone ocytocine à l'hypophyse, qui le sécrète dans la circulation sanguine afin qu'il puisse être transporté jusqu'à l'utérus. L'ocytocine stimule les contractions utérines, qui poussent le bébé plus fort contre le col de l'utérus. En réponse, le col de l'utérus commence à se dilater en vue du passage du bébé. Ce cycle de rétroaction positive se poursuit, avec des niveaux croissants d'ocytocine, des contractions utérines plus fortes et une dilatation plus large du col de l'utérus jusqu'à ce que le bébé soit poussé à travers le canal génital et hors du corps. À ce stade, le col de l'utérus n'est plus stimulé pour envoyer des impulsions nerveuses au cerveau et tout le processus s'arrête.

Quand l'homéostasie échoue

Les mécanismes homéostatiques fonctionnent en permanence pour maintenir des conditions stables dans le corps humain. Parfois, cependant, les mécanismes échouent. Quand ils le font, déséquilibre homéostatique Cela peut entraîner, dans lequel les cellules peuvent ne pas obtenir tout ce dont elles ont besoin ou des déchets toxiques peuvent s'accumuler dans le corps. Si l'homéostasie n'est pas restaurée, le déséquilibre peut entraîner une maladie ou même la mort. Le diabète est un exemple de maladie causée par un déséquilibre homéostatique. Dans le cas du diabète, la glycémie n'est plus régulée et peut être dangereusement élevée. Une intervention médicale peut aider à restaurer l'homéostasie et éventuellement à prévenir des dommages permanents à l'organisme.

Caractéristique : Mon corps humain

Le diabète est diagnostiqué chez les personnes qui ont une glycémie anormalement élevée après avoir jeûné pendant au moins 12 heures. Une glycémie à jeun inférieure à 100 est normale. Un niveau entre 100 et 125 vous place dans la catégorie pré-diabète, et un niveau supérieur à 125 entraîne un diagnostic de diabète.

Des deux types de diabète, le diabète de type 2 est le plus courant, représentant environ 90 pour cent de tous les cas de diabète aux États-Unis. Le diabète de type 2 débute généralement après l'âge de 40 ans. Cependant, en raison de l'augmentation spectaculaire de l'obésité chez les jeunes au cours des dernières décennies, l'âge auquel le diabète de type 2 est diagnostiqué a diminué. Même les enfants reçoivent maintenant un diagnostic de diabète de type 2. Aujourd'hui, environ 30 millions d'Américains souffrent de diabète de type 2 et 90 autres millions de pré-diabète.

Vous êtes susceptible de faire tester votre glycémie lors d’un examen médical de routine. Si votre glycémie indique que vous souffrez de diabète, cela peut être un choc pour vous car vous ne présentez peut-être aucun symptôme de la maladie. Vous n'êtes pas seul, car jusqu'à un diabétique sur quatre ne sait pas qu'il est atteint de la maladie. Une fois le diagnostic de diabète posé, vous pourriez être dévasté par la nouvelle. Le diabète peut entraîner des crises cardiaques, des accidents vasculaires cérébraux, la cécité, une insuffisance rénale et la perte des orteils ou des pieds. Le risque de décès chez les adultes diabétiques est 50 % plus élevé que chez les adultes non diabétiques, et le diabète est la septième cause de décès chez les adultes. De plus, le contrôle du diabète nécessite généralement des tests de glycémie fréquents, une surveillance de ce que vous mangez et quand vous mangez et la prise de médicaments ou même des injections d'insuline. Tout cela peut sembler accablant.

La bonne nouvelle est que changer votre mode de vie peut arrêter la progression du diabète de type 2 ou même l'inverser. Voici comment:

  • Perdre du poids. Toute perte de poids est bénéfique. Perdre aussi peu que sept pour cent de votre poids peut être tout ce qui est nécessaire pour arrêter le diabète dans son élan. Il est particulièrement important d'éliminer l'excès de poids autour de votre taille.
  • Exercice régulier. Vous devriez essayer de faire de l'exercice cinq jours par semaine pendant au moins 30 minutes. Cela réduira non seulement votre glycémie et aidera votre insuline à mieux fonctionner ; cela réduira également votre tension artérielle et améliorera votre santé cardiaque. Un autre avantage de l'exercice est qu'il vous aidera à perdre du poids en augmentant votre taux métabolique de base.
  • Adoptez une alimentation saine. Diminuez votre consommation de glucides raffinés tels que les bonbons et les boissons sucrées. Augmentez votre consommation d'aliments riches en fibres tels que les fruits, les légumes et les grains entiers. Environ un quart de chaque repas doit être composé d'aliments riches en protéines, comme du poisson, du poulet, des produits laitiers, des légumineuses ou des noix.
  • Contrôler le stress. Le stress peut augmenter votre glycémie et également augmenter votre tension artérielle et votre risque de maladie cardiaque. Lorsque vous vous sentez stressé, faites des exercices de respiration ou faites une marche rapide ou un jogging. Essayez également de remplacer les pensées stressantes par des pensées plus apaisantes.
  • Mettre en place un système de soutien. Demandez l'aide et le soutien de vos proches ainsi que de professionnels de la santé tels qu'un nutritionniste et un éducateur en diabète. Avoir un système de soutien vous aidera à vous assurer que vous êtes sur la voie du bien-être et que vous pouvez vous en tenir à votre plan.

Revoir

  1. Qu'est-ce que l'homéostasie ?
  2. Définissez le point de consigne et la plage normale pour les mesures physiologiques.
  3. Identifiez et définissez les quatre composants interactifs qui maintiennent l'homéostasie dans les boucles de rétroaction.
  4. Comparez et contrastez les boucles de rétroaction négatives et positives.
  5. Expliquez comment la rétroaction négative contrôle la température corporelle.
  6. Donnez deux exemples de processus physiologiques contrôlés par des boucles de rétroaction positive.
  7. Une boucle de rétroaction négative :
    1. ramène le niveau d'une variable à une plage normale
    2. peut abaisser, mais pas augmenter, la température corporelle
    3. est le type de rétroaction impliquée dans la coagulation du sang
    4. A et B
  8. Pendant l'allaitement, le stimulus du bébé qui tète le mamelon augmente la quantité de lait produite par la mère. Plus il y a de succion, plus le lait est généralement produit.
    1. Est-ce un exemple de feedback négatif ou positif ? Expliquez votre réponse.
    2. Selon vous, quel pourrait être l'avantage évolutif du mécanisme de régulation de la production laitière décrit dans la partie a ?
  9. Expliquez pourquoi l'homéostasie est régulée par des boucles de rétroaction négatives plutôt que par des boucles de rétroaction positives.
  10. Un point de consigne est généralement :
    1. le haut d'une fourchette normale
    2. le bas d'une fourchette normale
    3. au milieu d'une plage normale
    4. le point auquel les changements ne peuvent plus se produire
  11. Le niveau d'une hormone sexuelle, la testostérone (T), est contrôlé par une rétroaction négative. Une autre hormone, la gonadolibérine (GnRH), est libérée par l'hypothalamus du cerveau, ce qui incite l'hypophyse à libérer l'hormone lutéinisante (LH). La LH stimule les gonades à produire du T. Lorsqu'il y a trop de T dans le sang, elle se réalimente sur l'hypothalamus, ce qui l'amène à produire moins de GnRH. Bien que cela ne décrive pas toutes les boucles de rétroaction impliquées dans la régulation de T, répondez aux questions suivantes sur cette boucle de rétroaction particulière.
    1. Quel est le stimulus dans ce système? Expliquez votre réponse.
    2. Quel est le centre de contrôle dans ce système ? Expliquez votre réponse.
    3. Quel est l'hypophyse considéré dans ce système : stimulus, capteur, centre de contrôle ou effecteur ? Expliquez votre réponse.

10.7 : Homéostasie et rétroaction - Biologie

À la fin de cette section, vous serez en mesure de :

  • Définir l'homéostasie
  • Discuter des mécanismes de rétroaction positifs et négatifs utilisés dans l'homéostasie
  • Décrire la thermorégulation des animaux endothermiques et ectothermes

Les organes et systèmes d'organes des animaux s'adaptent constamment aux changements internes et externes grâce à un processus appelé homéostasie (« état stable »). L'homéostasie signifie maintenir l'équilibre dynamique dans le corps. Il est dynamique car il s'adapte constamment aux changements que les systèmes du corps rencontrent. C'est l'équilibre parce que les fonctions du corps sont maintenues dans des plages spécifiques. Même un animal apparemment inactif maintient cet équilibre homéostatique.


Terminologie de l'homéostasie

Le maintien de l'homéostasie dans le corps se produit généralement grâce à l'utilisation de boucles de rétroaction qui contrôlent les conditions internes du corps.

Boucle de rétroaction est défini comme un système utilisé pour contrôler le niveau d'une variable dans lequel se trouvent un récepteur identifiable (capteur), un centre de contrôle (intégrateur ou comparateur), des effecteurs et des méthodes de communication.

Nous utilisons la terminologie suivante pour décrire les boucles de rétroaction :

  • Les variables sont des paramètres qui sont surveillés et contrôlés ou affectés par le système de rétroaction.
  • Les récepteurs (capteurs) détectent les changements dans la variable.
  • Les centres de contrôle (intégrateurs) comparent la variable par rapport à un point de consigne et signalent aux effecteurs de générer une réponse. Les centres de contrôle prennent parfois en compte des informations autres que le seul niveau de la variable dans leur prise de décision, comme l'heure de la journée, l'âge, les conditions extérieures, etc.
  • Les effecteurs exécutent les modifications nécessaires pour ajuster la variable.
  • Des méthodes de communication entre les composants d'une boucle de rétroaction sont nécessaires pour qu'elle fonctionne. Cela se produit souvent par le biais des nerfs ou des hormones, mais dans certains cas, les récepteurs et les centres de contrôle sont les mêmes structures, de sorte qu'il n'y a pas besoin de ces modes de signalisation dans cette partie de la boucle.

La terminologie dans ce domaine est souvent incohérente. Par exemple, il existe des cas où les composants d'une boucle de rétroaction ne sont pas facilement identifiables, mais les variables sont maintenues dans une plage. De telles situations sont encore des exemples d'homéostasie et sont parfois décrites comme un cycle de rétroaction au lieu d'une boucle de rétroaction.

Cycle de rétroaction est défini comme toute situation dans laquelle une variable est régulée et le niveau de la variable a un impact sur la direction dans laquelle la variable change (c'est-à-dire augmente ou diminue), même s'il n'y a pas de composants de boucle clairement identifiés.

Avec cette terminologie à l'esprit, homéostasie alors peut être décrit comme la totalité des boucles de rétroaction et des cycles de rétroaction que le corps incorpore pour maintenir un état de fonctionnement approprié.

Nous pouvons regarder des exemples de rétroaction dans notre vie de tous les jours. Un exemple est les systèmes de refroidissement dans un immeuble. La climatisation est un système technologique qui peut être décrit en termes de boucle de rétroaction. Le thermostat détecte la température, une interface électronique compare la température à un point de consigne (la température que vous voulez qu'elle soit). Si la température correspond ou est plus froide, rien ne se passe. Si la température est trop élevée, l'interface électronique déclenche la mise en marche du climatiseur. Une fois la température suffisamment abaissée pour atteindre le point de consigne, l'interface électronique arrête le climatiseur. Pour cet exemple, identifiez les étapes de la boucle de rétroaction.

Le régulateur de vitesse est un autre système de rétroaction technologique. L'idée du régulateur de vitesse est de maintenir une vitesse constante dans votre voiture. La vitesse de la voiture est déterminée par le compteur de vitesse et une interface électronique mesure la vitesse de la voiture par rapport à un point de consigne choisi par le conducteur. Si la vitesse est trop lente, l'interface stimule le moteur si la vitesse est trop rapide, l'interface réduit la puissance aux pneus.

Contrôle de la température corporelle

Nous pouvons regarder le maintien de la température corporelle : Voici les composants impliqués dans le contrôle de la température corporelle.

Dans ce cas, la variable est la température corporelle.

Les thermorécepteurs détectent les changements de température corporelle. Par exemple, les thermorécepteurs de vos organes internes peuvent détecter une baisse de la température corporelle et produire des impulsions nerveuses qui se rendent au centre de contrôle, l'hypothalamus.

Centre de contrôle

L'hypothalamus contrôle une variété d'effecteurs qui répondent à une diminution de la température corporelle.

Il existe plusieurs effecteurs contrôlés par l'hypothalamus.

  • Les vaisseaux sanguins près de la peau se contractent, réduisant le flux sanguin (et la perte de chaleur qui en résulte) dans l'environnement.
  • Les muscles squelettiques sont également des effecteurs dans cette boucle de rétroaction : ils se contractent rapidement en réponse à une diminution de la température corporelle. Ce frisson aide à générer de la chaleur, ce qui augmente la température corporelle.

Boucles de rétroaction d'homéostasie et d'amplification

Un ensemble de questions sur l'homéostasie et les boucles de rétroaction de l'Open Learning Initiative.

Maintenir notre taux de sodium dans le sang après avoir mangé un sac de bretzels salés.

Sautez par-dessus un morceau de verre brisé quand nous le voyons.

Frappez une balle de baseball quand elle nous est lancée.

Augmenter notre tension artérielle lorsque nous sommes stressés.

La climatisation est un système technologique qui peut être décrit en termes de boucle de rétroaction. Le thermostat détecte la température, une interface électronique compare la température à un point de consigne (la température que vous voulez qu'elle soit). Si la température correspond ou est plus froide, rien ne se passe. Si la température est trop élevée, l'interface électronique déclenche la mise en marche du climatiseur. Une fois la température suffisamment abaissée pour atteindre le point de consigne, l'interface électronique arrête le climatiseur. Regardez l'organigramme incomplet ci-dessous, puis choisissez la description correcte des étapes manquantes.

Les unité d'air conditionné est le récepteur. Les thermomètre est le effecteur.

Les thermomètre est le récepteur. Les unité d'air conditionné est le effecteur.


Commentaire positif

Dans un mécanisme de rétroaction positive, la sortie du système stimule le système de manière à augmenter encore la sortie. Les termes courants qui pourraient décrire des boucles ou des cycles de rétroaction positive incluent « boule de neige » et « réaction en chaîne » 8221. Sans réaction ou processus de contre-équilibrage ou d'arrêt, un mécanisme de rétroaction positive a le potentiel de produire un processus d'emballement. Comme indiqué, certains processus physiologiques sont généralement considérés comme une rétroaction positive, bien qu'ils puissent ne pas tous avoir des composants identifiables d'une boucle de rétroaction. Dans ces cas, la boucle de rétroaction positive se termine toujours par un contre-signal qui supprime le stimulus d'origine.

Un bon exemple de rétroaction positive implique l'amplification des contractions du travail. Les contractions sont initiées lorsque le bébé se met en position, étirant le col de l'utérus au-delà de sa position normale. La rétroaction augmente la force et la fréquence des contractions jusqu'à la naissance du bébé. Après la naissance, l'étirement s'arrête et la boucle est interrompue.

Un autre exemple de rétroaction positive se produit pendant la lactation, au cours de laquelle une mère produit du lait pour son bébé. Pendant la grossesse, les niveaux de l'hormone prolactine augmentent. La prolactine stimule normalement la production de lait, mais pendant la grossesse, la progestérone inhibe la production de lait. À la naissance, lorsque le placenta est libéré de l'utérus, les niveaux de progestérone chutent. En conséquence, la production de lait augmente. Au fur et à mesure que le bébé tète, sa tétée stimule le sein, favorisant une nouvelle libération de prolactine, ce qui entraîne encore plus de production de lait. Cette rétroaction positive garantit que le bébé a suffisamment de lait pendant la tétée. Lorsque le bébé est sevré et ne tète plus de la mère, la stimulation cesse et la prolactine dans le sang de la mère revient aux niveaux d'avant l'allaitement.

Ce qui précède fournit des exemples de mécanismes de rétroaction positive bénéfiques. Cependant, dans de nombreux cas, les commentaires positifs peuvent être potentiellement dommageables pour les processus de la vie. Par exemple, la tension artérielle peut chuter considérablement si une personne perd beaucoup de sang en raison d'un traumatisme.

La pression artérielle est une variable régulée qui conduit le cœur à augmenter sa fréquence (c'est-à-dire à augmenter la fréquence cardiaque) et à se contracter plus fortement. Ces changements au cœur l'obligent à avoir besoin de plus d'oxygène et de nutriments, mais si le volume sanguin dans le corps est trop faible, le tissu cardiaque lui-même ne recevra pas suffisamment de flux sanguin pour répondre à ces besoins accrus. Le déséquilibre entre les demandes en oxygène du cœur et l'apport en oxygène peut entraîner d'autres lésions cardiaques, ce qui abaisse en fait la pression artérielle, entraînant un changement plus important de la variable (pression artérielle). La boucle réagit en essayant de stimuler le cœur encore plus fortement, ce qui entraîne d'autres dommages cardiaques et la boucle continue jusqu'à ce que la mort s'ensuive.


RETOUR D'INFORMATION ET HOMÉOSTASIE

HS-LS1-3 : Planifier et mener une enquête pour prouver que les mécanismes de rétroaction maintiennent l'homéostasie.

Idées de base disciplinaires :

Les mécanismes de rétroaction maintiennent les conditions internes d'un système vivant dans certaines limites et médient les comportements, lui permettant de rester vivant et fonctionnel même lorsque les conditions externes changent dans une certaine plage. Les mécanismes de rétroaction peuvent encourager (par une rétroaction positive) ou décourager (une rétroaction négative) ce qui se passe à l'intérieur du système vivant.

4.1. L'homéostasie nécessite le maintien d'un environnement interne différent de l'environnement externe.

(a.) Définir l'homéostasie, son importance pour les organismes vivants et le fonctionnement d'un mécanisme homéostatique.

(b.) Décrire et modéliser comment l'homéostasie est maintenue dans le corps humain pendant l'exercice en régulant l'apport sanguin, les besoins en oxygène, la pression artérielle, la température corporelle et les niveaux de glucose malgré les conditions environnementales changeantes.

Liens/Sources :

MOB 4 : L'homéostasie pendant l'activité physique

4.2. La réponse du glucose joue un rôle important dans l'homéostasie en maintenant des niveaux appropriés de sucre dans le sang.

(c.) Résumez et illustrez comment le corps humain maintient les niveaux de glucose dans le sang à l'aide d'un mécanisme de rétroaction.

Liens/Sources :

4.3. La réponse immunitaire joue un rôle important dans le maintien de l'homéostasie en préparant le corps à combattre l'infection et aider le processus de guérison.

(d.) Résumez et illustrez comment le corps humain maintient l'homéostasie pendant la réponse immunitaire.

(e.) Résumez le rôle de la fièvre dans la réponse immunitaire.

Liens/Sources :

Minds on Biology (MOB) :

4.4. T les mécanismes d'hermorégulation sont conçus pour retourner un organisme corps à l'homéostasie.

(e.) Résumez et illustrez comment le corps humain maintient une température corporelle interne stable à l'aide d'un mécanisme de rétroaction.

(f.) Résumez la différence de thermorégulation entre les ectothermes et les endothermes.

Liens/Sources :

Minds on Biology (MOB) :

4.5. Les organismes vivants perçoivent et réagissent de manière appropriée à leur environnement interne et externe.

(g.) Décrire comment les moisissures visqueuses et les nématodes réagissent aux changements environnementaux.

(h.) Décrire, à l'aide de preuves, comment les plantes réagissent au toucher, à la lumière et à la gravité (phototropisme et géotropisme).

(i.) Décrire comment les amibes maintiennent l'équilibre hydrique à l'aide de vacuoles contractiles et comment les plantes maintiennent l'équilibre hydrique à l'aide de stomates.

(j.) Définir le stimulus et la réponse et fournir des exemples spécifiques de réponse à divers stimuli.


Boîte d'enseignement sur l'homéostasie et les caractéristiques de la vie

Qu'est-ce que la vie, et comment la vie est-elle maintenue ? Cette boîte d'enseignement numérique contient des ressources testées en classe et alignées sur la NGSS pour enseigner les ingrédients et les conditions nécessaires à la vie.

Niveau scolaire et cours
biologie de la 9e à la 10e année

Auteur & Affiliation
Marguerite Yeung
Professeur de biologie, Woodside High School

Concepts couverts
Caractéristiques de la vie
Homéostasie
Physiologie humaine

Remarque : Bien que cette unité n'aborde pas beaucoup d'ICD, elle jette les bases des compétences et des concepts sur lesquels les étudiants reviendront dans les prochaines unités. Par exemple, vous pouvez vous référer aux boucles de rétroaction négatives pendant l'Écologie lorsque vous discutez des relations prédateur-proie et de la capacité de charge.

Ressource 1 : Dissection de grenouilles avec Powerpoint et instructions de laboratoire

Commencez l'année scolaire en beauté : cette dissection aide les élèves à mettre en pratique leurs compétences en laboratoire et en sécurité, à faire des observations détaillées (qualitatives et quantitatives), à pratiquer le travail de groupe et à commencer à réfléchir aux caractéristiques de la vie.

Attribution des ressources
Lycée Woodside

Type de ressource
Activité en classe

Notes d'enseignement

  • Présentez les observations par rapport aux inférences et les observations qualitatives par rapport aux observations quantitatives avant de commencer le laboratoire.
  • Parce que c'est l'un de nos premiers labos de l'année, je passe beaucoup de temps à discuter de la sécurité et des attentes et des rôles du groupe avant de commencer, ainsi que du respect des matériaux utilisés, y compris la grenouille.
  • Si les élèves ne sont pas à l'aise avec les dissections, je leur demande d'abord s'ils sont d'accord pour être dans la pièce et enregistrer leurs observations pendant que les membres de leur groupe touchent les grenouilles et coupent. Si cela ne fonctionne pas pour eux, ils peuvent aller dans une autre pièce avec accès à un ordinateur pour faire une dissection de grenouille virtuelle à la place. Ils peuvent retourner travailler avec leurs groupes pour créer la liste des caractéristiques de la vie.
  • Questions de discussion préalables au laboratoire (Réfléchir-Pairer-Partager)
    • Que savez-vous des grenouilles ?
    • Que pouvez-vous mesurer à propos de votre grenouille? Que pouvez-vous déduire de votre grenouille sur la base de ces mesures ?
    • Quels autres sens peux-tu utiliser pour décrire ta grenouille ? Que pouvez-vous déduire à propos de votre grenouille en vous basant sur des observations utilisant ces sens ?
    • Comparez et contrastez la liste des caractéristiques de la vie de chaque groupe.
      • « Je vois que de nombreux groupes pensent que tous les êtres vivants… »
      • « Un groupe pense que tous les êtres vivants… tandis qu'un autre groupe pense… »
      • « Je pense que tous les êtres vivants… parce que… »
      • "Je ne suis pas d'accord parce que..."

      Ressource 2 : Caractéristiques du Life Speed-Dating

      Revoir les caractéristiques de la vie : remettre aux élèves des cartes relatives aux caractéristiques de la vie et leur permettre de se regrouper ou de chercher leurs « correspondances ».

      Attribution des ressources
      Lycée Woodside

      Type de ressource
      Activité en classe

      Notes d'enseignement

      • Il s'agit d'une méthode interactive d'enseignement direct, mais elle peut également être utilisée comme évaluation formative pour évaluer les connaissances préalables des élèves.
      • Imprimez-les sur du papier cartonné ou du papier ordinaire et collez-les sur des fiches individuelles.
      • Une option n'est PAS de distribuer les huit premières cartes aux élèves, de les faire correspondre avec au moins une autre personne, puis d'afficher les huit caractéristiques dans la salle et de demander aux élèves de se diriger vers la caractéristique avec laquelle ils pensent qu'ils correspondent le mieux.
      • Questions de discussion:
        • Expliquez pourquoi vous pensez que vous et votre partenaire êtes un bon partenaire.
        • Expliquez pourquoi vous pensez que votre partenaire et vous n'êtes peut-être pas un bon match.
        • Qui pense avoir besoin de plus d'informations avant de prendre sa décision finale ?

        Ressource 3 : Les virus sont-ils vivants ?

        À l'aide d'un tableau de comparaison et de l'écriture et de l'argumentation de la justification des preuves (CER), les élèves travaillent en groupes pour examiner les caractéristiques de la vie et décider si les virus sont vivants ou non.

        Type de ressource
        Activité en classe

        Notes d'enseignement

        • Voici quelques clips vidéo qui pourraient être utilisés dans le cadre de cette activité :
          • Clip 1 (Avancé et plus long)
          • Clip 2 (simple et plus court)

          Ressource 4 : Expérience sur l'homéostasie et la respiration

          Les élèves observent des exemples de rétroaction négative lorsque les niveaux d'oxygène diminuent dans leur corps. Bien que ce laboratoire se concentre sur les interactions entre les systèmes circulatoire et respiratoire, les étudiants n'ont pas besoin de beaucoup de connaissances de base sur chaque système afin de comprendre comment ils se rapportent à l'homéostasie et aux boucles de rétroaction.

          Attribution des ressources
          Lycée Woodside
          Drs. Ingrid Waldron, Lori Spindler et Jennifer Doherty
          Département de biologie, Université de Pennsylvanie

          Type de ressource
          Activité en classe

          Notes d'enseignement

          • S'il s'agit d'un programme en bloc, les jours 1 et 2 peuvent être combinés en une période de 90 minutes.
          • Il existe plusieurs options de collecte de données, en particulier pour la fréquence cardiaque. Si votre école a accès à des moniteurs de fréquence cardiaque, les plus faciles à utiliser sont ceux qui sont placés sur le doigt plutôt que sur la poitrine. Si les élèves mesurent la fréquence cardiaque en vérifiant le pouls, il est préférable de faire une lecture avant et après le laboratoire plutôt que d'essayer de surveiller la fréquence cardiaque tout au long de l'expérience.
          • Chaque élève aura besoin d'un nouveau sac poubelle en plastique, car la condensation de l'haleine des élèves le rend difficile à partager.
          • Il existe des alternatives Web à cette activité, notamment Keep an Athlete Running (gratuit) et Gizmo (payant).
          • Si respirer dans un sac n'est pas idéal pour vos élèves (en raison de problèmes de santé ou d'asthme, ou parce que vous vous inquiétez des déchets plastiques), vous pouvez collecter les mêmes données avec une condition différente, comme monter un escalier si ceux-ci sont disponibles dans votre école.

          Ressource 5 : L'homéostasie quotidienne

          Les élèves décrivent une analogie pour l'homéostasie de leur vie quotidienne en utilisant leur choix de dessin, d'organigramme ou de diagramme.

          Attribution des ressources
          Lycée Woodside

          Type de ressource
          Évaluation

          Notes d'enseignement

          • Si le temps est compté, cela pourrait être réduit à une question de lancement ou à une tâche d'entrée de type Faire maintenant pour une évaluation plus informelle.
          • Il peut être utile de revoir l'exemple de thermostat qui a été présenté plus tôt dans l'unité.
          • Parfois, le « point de consigne » peut ne pas être très clair, ce qui est un bon endroit pour commencer à discuter des limites de leurs exemples et de la façon dont ils peuvent ne pas se traduire par l'importance de l'homéostasie pour les êtres vivants.
          • Sometimes I help students get started by showing some images (i.e. mixing colors of paint, a hole at the top of a sink that prevents water overflow, a person that is being offered food when they’re already full) they’re included at the bottom of the student handout.

          Science and Engineering Practices

          • Develop a model based on evidence to illustrate the relationships between systems or components of a system. (HS-LS1-2)

          Planning and Carrying Out Investigations

          • Plan and conduct an investigation individually and collaboratively to produce data to serve as the basis for evidence, and in the design: decide on types, how much, and accuracy of data needed to produce reliable measurements and consider limitations on the precision of the data (e.g., number of trials, cost, risk, time), and refine the design accordingly. (HS-LS1-3)
          • Construct an explanation based on valid and reliable evidence obtained from a variety of sources (including students’ own investigations, models, theories, simulations, peer review) and the assumption that theories and laws that describe the natural world operate today as they did in the past and will continue to do so in the future. (HS-LS1-1)

          Disciplinary Core Ideas

          LS1.A Structure and Function

          • Systems of specialized cells within organisms help them perform the essential functions of life. (HS-LS1-1)
          • Multicellular organisms have a hierarchical structural organization, in which any one system is made up of numerous parts and is itself a component of the next level. (HS-LS1-2)
          • Feedback mechanisms maintain a living system’s internal conditions within certain limits and mediate behaviors, allowing it to remain alive and functional even as external conditions change within some range. Feedback mechanisms can encourage (through positive feedback) or discourage (negative feedback) what is going on inside the living system. (HS-LS1-3)

          Crosscutting Concepts

          • Models (e.g., physical, mathematical, computer models) can be used to simulate systems and interactions—including energy, matter, and information flows—within and between systems at different scales. (HS-LS1-2)
          • Investigating or designing new systems or structures requires a detailed examination of the properties of different materials, the structures of different components, and connections of components to reveal its function and/or solve a problem. (HS-LS1-1)

          More Teaching Boxes

          Cellular Energy Teaching Box

          Humans haven’t yet figured out how to turn energy from the sun into chemical energy, or how to use that energy to support life—but producers have.

          Is There Life on Mars (Or Anywhere Else)? Teaching Box

          The hunt for life in other parts of the universe is on—but how are scientists going about it, and what does it mean to discover life, anyway?

          Meiosis and Biological Sex Teaching Box

          Let’s talk about sex—the biological concept and the processes that determine it.


          AP Biology Homeostasis and Feedback Review

          This AP Biology resource is a review chart that covers sixteen examples of positive and negative feedback. For each example the student is asked to describe the biochemical, cellular and organismal interactions. Topics explored are insulin regulation, body temperature regulation, labor, glycolysis and phosphofructokinase, cyclic AMP, cyclin-dependent kinases, blood oxygen and blood pressure, antidiuretic hormone, blood clotting, lactation, fruit ripening, Graves’ disease, Lac operon (both positive and negative feedback), plant responses to water loss, and melting ice caps. While "melting ice caps" is not cellular, or organismal, the phenomenon is associated with global warming and provides a striking example of positive feedback. An editable MS Word copy is provided as well as a PDF. The resource lists examples found in the AP biology curriculum as well as many others. It is most certainly not necessary to teach all of the 16 examples, but a comprehensive review builds a deeper understanding of feedback and homeostasis. An extensive answer key is provided. The following AP Biology objectives and learning targets are covered:

          Enduring Understanding 2.C: Organisms use feedback mechanisms to regulate growth and reproduction, and to maintain dynamic homeostasis.

          LO 2.15 The student can justify a claim made about the effect(s) on a biological system at the molecular, physiological, or organismal level when given a scenario in which one or more components within a negative regulatory system is altered

          LO 2.16…connect how organisms use negative feedback to maintain their internal environments

          LO 2.17…show the effects of changes in concentrations of key molecules on negative feedback mechanisms

          LO 2.18…make predictions about how organisms use negative feedback mechanisms to maintain their internal environments

          LO 2.19…make predictions about how positive feedback mechanisms amplify activities and processes in organisms based on scientific theories and models

          LO 2.20…justify that positive feedback mechanisms amplify responses in organisms


          Set points and diseases of homeostasis

          In contrast to circuits with fixed set points, which are generally robust to perturbations, homeostatic circuits with adjustable set points are vulnerable to dysregulation precisely because they are designed to be adjustable. For example, the adjustable set point for body weight and adiposity allows for adaptation to times of food abundance or scarcity, as well as to the accumulation of fuel stores to feed a growing fetus. However, in the setting of the modern environment, adjustable set points may have contributed to the current obesity epidemic (Speakman et al., 2011 Woods and Ramsay, 2007). If body adiposity had a fixed set point value, obesity would be impossible except for purely genetic reasons. In fact, most tissues other than visceral fat, have a single set point value for their size control as a function of body size, which is why they are not subject to homeostatic dysregulation. Like adiposity, glucose and lipid homeostasis are characterized by adjustable set points, while amino acid and purine/pyrimidine metabolism appear to have a single set point accordingly, the former are vulnerable to homeostatic dysregulation while the latter are not.

          One disease state particularly interesting from this perspective is insulin resistance. Insulin’s best-known function is to stimulate glucose uptake by skeletal muscle and adipose tissue, thereby reducing glycaemia. However, it is now appreciated that insulin has myriad effects, orchestrating a coordinated anabolic effort by liver, skeletal muscle and white adipose tissue to convert glucose and fatty acids into glycogen and triglycerides, respectively, to export these when necessary for storage in the appropriate organ, and to suppress the mobilization of stored fuels (Schenk et al., 2008 Shulman, 2011). In addition, insulin induces a trophic response in many cell types that promotes protein synthesis, and consequently cellular and tissue growth (Shulman, 2011). Interestingly, not all of these functions are reduced during the insulin resistant state (Brown and Goldstein, 2008), nor are all organs equally affected. Thus, insulin resistance is not equivalent to reducing the quantity of insulin in the blood, but rather is a method of physiologic set point adjustment that allows the organism to reallocate resources between different tissues.

          Insulin sensitivity can be changed in many altered physiologic states. During pregnancy, critical illness, infection and stress, insulin responsiveness is diminished, presumably to allocate resources towards a growing fetus, tissue repair or the immune system, respectively (Odegaard and Chawla, 2013 Power and Schulkin, 2012 Watve and Yajnik, 2007). Conversely, insulin sensitivity is heightened during caloric restriction and weight loss, perhaps to increase anabolic efficiency.

          Unfortunately, the adjustability of the insulin sensitivity set point also makes it vulnerable to disease. Insulin resistance is widely accepted as the pathological precursor for diabetes, a dangerous potential complication of obesity. Thus, the very mechanisms that evolved to make insulin receptor sensitivity adjustable also permettre pathological insulin resistance. The same argument applies to other homeostatic systems with multiple set points that correspond to alternative stable states – they are vulnerable to dysregulation because they are designed to be adjustable.

          As noted above, some homeostatic systems with multiple set points have a default set point value and any change of set point has to be actively maintained. Such systems, including control of body temperature, are generally less vulnerable to dysregulation because alternative set points are not stable.


          Introduction to Homeostasis and Feedback Mechanisms

          Consider how you heat and cool your home. You have heating and air conditioning systems. When the temperature outside is hot, the air conditioner cools your home. Conversely, when the temperature outside is cold, the furnace heats your home.

          The goal of these systems is to maintain the inside of your home at a constant, comfortable temperature despite changes in the temperature outside.

          This state of constant conditions can be called équilibre, ou régime permanent. In this example, the state of equilibrium is a constant temperature inside the house.

          Similarly, your body has systems in place to maintain a steady state of its internal environment for many different parameters, like body temperature, or the level of glucose in your blood. The ability of an organism to maintain a constant internal environment in response to environmental changes is called homéostasie.

          Like the heating and air conditioning systems in the house, your body has systems that respond to changes in the environment to maintain homeostasis. These mechanisms are called feedback mechanisms.

          Focus on Feedback Mechanisms

          1. Negative feedback

          Now consider what happens when hot weather warms a house. The temperature inside becomes out of balance. It rises above the set point of the thermostat. This increase in temperature triggers the the thermostat, which turns on the air conditioner. The air conditioner cools the house until it reaches the set temperature point, and then shuts off. The house is now back to its original temperature.

          Ceci est un exemple de retours négatifs. In negative feedback, the mechanism acts in the opposite direction of the initial change so that the steady state is restored. Most homeostatic mechanisms are negative feedback.

          2. Positive feedback

          Now suppose a HVAC technician crossed the wires in the system. The wires were crossed so that when the house temperature increased it triggered the furnace instead of the air conditioner. The furnace heated the house, which increased the temperature further. The increased temperature continued to keep the furnace on, which heated the house even further. You can see from this scenario that the house gets increasingly hotter, rather than returning to the set point of the thermostat.

          Ceci est un exemple de positive feedback. In positive feedback, the mechanism acts in the same direction as the initial change. The steady state is never restored, and extreme conditions are favored. There are only a few instances in which homeostatic mechanisms are positive feedback loops. One example is labor and delivery in childbirth. During labor, a hormone called oxytocin is released that intensifies and speeds up contractions. The increase in contractions causes more oxytocin to be released and the cycle goes on until the baby is born. The birth ends the release of oxytocin and ends the positive feedback mechanism.

          Parts of a Feedback Mechanism

          Let's continue thinking about the heating and cooling systems of a house. A sensor, such as a thermocouple, detects the temperature inside the house and sends the information to the thermostat. The thermostat compares the temperature to the set point. If the temperature is higher than the set point, the thermostat turns on the air conditioner. If the temperature is lower than the set point, the thermostat turns on the furnace. If the temperature matches the set point, nothing is done.

          Feedback mechanisms consist of sensors, integrators, and effectors:

          • Capteur: Monitors the environment (external or internal) and sends information to the integrator.
          • Integrator: Processes information from the sensors and sends signals or commands to effectors.
          • Effector: Takes actions to restore the environment to a steady state.

          Noter: The sensors are called récepteurs in biological systems.


          Voir la vidéo: 6 Homéostasie du milieu intérieur (Décembre 2022).