المحاضرة 2:آليات تنظيم التوازن الداخلي

نوفر لكم ترجمة المحاضرة الثانية من دورة مقدمة علم وظائف الأعضاء (Introductory Human Physiology) المقدمة بواسطة جامعة Duke University  والمعروضة مجانًا عبر موقع Coursera.

أهلاً بكم في محاضرتنا الثانية: نواصل رحلتنا في فهم التوازن الداخلي (Homeostasis)، ولكن هذه المرة سنركز على آليات تنظيم التوازن الداخلي (Homeostatic Regulatory Mechanisms) المعقدة التي تسمح للجسم بالحفاظ على هذا الاستقرار الحيوي.

أهداف المحاضرة 

ستساعدنا هذه المحاضرة في تحقيق ما يلي:

• مقارنة الضوابط الانعكاسية (Reflex Controls) وضوابط التوازن الداخلي المحلية (Local Homeostatic Controls).
• تحديد مكونات الحلقة الانعكاسية (Reflex Loop).
• شرح حلقات التغذية الراجعة السلبية (Negative Feedback Loops) والإيجابية (Positive Feedback Loops) كحلقات تنظيمية أساسية.
• توضيح مفهومي الضوابط المقوية (Tonic Control) والمضادة (Antagonistic Control).
• شرح إيقاعات الساعة البيولوجية (Circadian Rhythms).

تقدم هذه المحاضرة نظرة عامة على جميع الآليات التي سنتناولها بالتفصيل داخل كل جهاز عضوي (Organ System) على حدة لاحقًا في الدورة. فلكل جهاز عضوي طريقته الخاصة في الحفاظ على التوازن، وهذه الآليات ليست جميعها شائعة في كل الأنظمة. أثناء تقدمنا في الدورة، ستتمكنون من العودة لهذه المحاضرة للتعرف على المفهوم أو الآلية المحددة التي يتم تطبيقها في سياق معين.

آليات تنظيم التوازن الداخلي بين الخلايا المجاورة

بعض آليات الحفاظ على التوازن في الجسم تتم داخل نفس النسيج أو العضو، حيث تتواصل الخلايا القريبة من بعضها البعض مباشرة، دون الحاجة إلى إشارات من الدماغ أو عبر الدورة الدموية. في هذه الحالات، تقوم الخلايا باستشعار التغيرات والتفاعل معها في نفس المكان الذي تحدث فيه.

التحكم الباراكراين (Paracrine Control)

تقوم إحدى الخلايا (الخلية رقم 1) بإفراز مادة كيميائية تصل إلى خلية أخرى قريبة منها (الخلية رقم 2). هذه الخلية المستقبِلة تحتوي على مستقبلات خاصة تستطيع التعرف على هذه المادة والتفاعل معها، مما يؤدي إلى تنشيط بعض الوظائف أو تعديلها. بهذا الشكل، تتأثر الخلايا ببعضها البعض داخل نفس النسيج.

التحكم الأوتوكراين (Autocrine Control)

تقوم الخلية بإفراز مادة كيميائية تؤثر على نفسها، أي أن الإشارة التي أطلقتها تعود لتؤثر عليها مباشرة، فتنظم نشاطها الداخلي بناءً على حالتها.

 هذا النوع من التواصل بين الخلايا يظهر بوضوح في أجهزة مثل الجهاز الهضمي، حيث تعتمد بعض الوظائف على التفاعل المباشر بين الخلايا القريبة لتنظيم الإفرازات أو حركة العضلات، دون الحاجة إلى تدخل من الدماغ أو الغدد الهرمونية الكبرى.

وصلات الفجوة (Gap Junctions)

في بعض أنسجة الجسم، ترتبط الخلايا المجاورة ببعضها البعض من خلال قنوات صغيرة تُسمى وصلات الفجوة (Gap Junctions)، وهي تُشبه الجسور التي تربط خلية بأخرى عبر روابط تُعرف باسم كونيكسون (Connexons).

من خلال هذه الجسور، يمكن للأيونات مثل الكالسيوم أن تنتقل مباشرة من داخل خلية إلى داخل خلية أخرى، مما يسمح بتنسيق سريع ودقيق في استجابات الخلايا.

يُلاحظ هذا النوع من الاتصال بشكل واضح في عضلة القلب، حيث تسمح هذه الوصلات لكل خلايا القلب بالعمل وكأنها خلية واحدة؛ أي أنها تنقبض وتسترخي في وقت واحد وبشكل متناسق.

هذه الحركة المتناغمة ضرورية لضخ الدم بكفاءة، وتعتمد بشكل كبير على انتقال الكالسيوم عبر هذه الوصلات بين خلايا القلب.

 أنظمة التوازن الداخلي واسعة النطاق (Reflex Homeostatic Systems)

تتناول هذه الدورة، ما يُعرف بأنظمة التوازن الداخلي (Reflex Homeostatic Systems) التي تُعرف أيضًا بـ الاستجابات الانعكاسية أو حلقات التغذية الراجعة (Feedback Loops).

هذه الأنظمة لا تعتمد على تفاعل مباشر بين الخلايا المجاورة، بل تتضمن إشارات تنتقل لمسافات طويلة داخل الجسم لتصل إلى الخلايا التي يجب أن تستجيب، وتُسمى هذه بـ الخلايا المستهدفة، وهي أي خلية تحتوي على مستقبلات تستجيب للإشارة القادمة، وتشمل تقريبًا معظم خلايا الجسم.

هناك طريقتان رئيسيتان يتواصل بهما الجسم لتنظيم وظائفه على هذا النطاق الواسع:

1. نظام الغدد الصماء (Endocrine System)

تُفرز خلايا الغدد الصماء مواد كيميائية تُعرف بـ الهرمونات، تنتقل هذه الهرمونات عبر مجرى الدم لتصل إلى خلايا أخرى بعيدة، ستتأثر به فقط الخلايا التي تمتلك مستقبلات خاصة بذلك الهرمون.

بهذه الطريقة، يمكن للغدة الواحدة التأثير على أنسجة مختلفة في أماكن متفرقة من الجسم.

2. الجهاز العصبي (Nervous System):

تُطلق الخلية العصبية إشارة كهربائية تصل إلى نهاية الخلية في نقطة تُسمى المشبك (Synapse). عند المشبك، يتم إفراز مادة كيميائية تُسمى الناقل العصبي (Neurotransmitter).

يعبر هذا الناقل مسافة قصيرة جدًا ليصل إلى خلية أخرى (مثل خلية عضلية أو غدة)، ويؤثر على نشاطها إذا كانت تحتوي على مستقبل مناسب له.

من الجدير بالذكر أن كلا النظامين – الغدد الصماء والجهاز العصبي – يُستخدمان ضمن حلقات التغذية الراجعة التي تهدف إلى إعادة الجسم إلى حالة التوازن إذا حدث أي خلل.

مكونات الحلقة الانعكاسية

تتكون الحلقة الانعكاسية من ثلاثة مكونات رئيسية تعمل معًا للحفاظ على التوازن في الجسم.

1. المستشعر (Sensor): يكتشف التحفيز أو المدخل (Stimulus) الذي يؤثر على الجسم. تُرسل المعلومات عبر المسار الوارد (Afferent Pathway) إلى مركز التكامل.
2. مركز التكامل (Integrating Center): عادةً يكون الدماغ، ويحتوي على نقطة ضبط (Set Point). يقوم بتقييم المعلومات الواردة لمعرفة ما إذا كانت أعلى أو أقل من نقطة الضبط.
3. المسار الصادر (Efferent Pathway) والمستجيب (Effector): إذا كانت المعلومات مختلفة عن نقطة الضبط، يرسل مركز التكامل إشارة عبر المسار الصادر إلى المستجيب، الذي ينفذ الاستجابة (Response) لمعالجة التحفيز وإعادة التوازن.

حلقات التغذية الراجعة السلبية والإيجابية 

في معظم الحالات، تُقضي الاستجابة على التحفيز الأصلي، وهذا ما يُسمى حلقة التغذية الراجعة السلبية (Negative Feedback Loop).

حلقات التغذية الراجعة السلبية

فيما يلي حلقات التغذية الراجعة السلبية:

1. تغير خارجي (برودة الجو)

• التحفيز: تتعرض للبرد، تنخفض درجة حرارة الجسم (Body Temperature) من 37 درجة مئوية إلى 34 درجة مئوية.
• المستشعر: تُكتشف درجة الحرارة بواسطة المستقبلات الحرارية الطرفية (Peripheral Thermoreceptors) في الجلد والمركزية (Central Thermoreceptors) داخل الجسم (التي تستشعر درجة حرارة الدم).
• مركز التكامل: تُرسل المعلومات إلى منطقة تحت المهاد (Hypothalamus) في الدماغ، التي تحتوي على نقطة ضبط 37 درجة مئوية. يُدرك الدماغ أن الجسم بارد.
• المستجيبات: يُرسل الدماغ إشارة صادرة إلى عدة مستجيبات:
  • العضلات الهيكلية (Skeletal Muscles): تبدأ في الارتعاش (Shivering) لتوليد الحرارة.
  • الأوعية الدموية الجلدية (Cutaneous Blood Vessels): تنقبض (تضيق الأوعية – Vasoconstriction) لتحويل الدم والحرارة بعيدًا عن سطح الجلد إلى أجزاء أعمق من الجسم، مما يُقلل من فقدان الحرارة (Heat Loss).
  • قد تلتف حول نفسك لتقليل مساحة السطح التي تُشع الحرارة، أو تعود للمنزل وترتدي ملابس دافئة.
• الاستجابة: تُولد الحرارة وتُحفظ لإعادة درجة حرارة الجسم إلى 37 درجة مئوية، مما يُزيل التحفيز الأولي.

2. تغير داخلي (العدوى والحمى)

• التحفيز: تحدث عدوى (Infection) تُنشط خلايا البلاعم (Macrophages) التي تُفرز مادة تُسمى البيروجين (Pyrogen).
• مركز التكامل: يعمل البيروجين على منطقة تحت المهاد، ويُغير نقطة الضبط من 37 درجة مئوية إلى 40 درجة مئوية. الآن، الدماغ يُفسر درجة حرارة الجسم البالغة 37 درجة على أنها “باردة” بالنسبة لنقطة الضبط الجديدة.
• المستجيبات: تُرسل إشارات إلى العضلات الهيكلية (للارعاش وتوليد الحرارة) وتضيق الأوعية (لتقليل فقدان الحرارة).
• الاستجابة: يبدأ الجسم في تسخين نفسه ليرتفع من 37 إلى 40 درجة مئوية (حمى – Fever).

نقطة مهمة: رد الفعل هنا هو نفسه تمامًا كما في حالة البرد الخارجي، ولكن الفرق هو أن نقطة الضبط قد أُعيد تعيينها (Reset).
هذا أمر حيوي، لأنه في كثير من الأحيان، عندما يعاني الجسم من حالة مرضية (Pathological Condition)، فإنه يحاول القيام بشيء طبيعي لتصحيح الوضع، ولكنه قد يستجيب لنقطة ضبط أُعيد تعيينها إلى مستوى أعلى، مما يُؤدي إلى خلل داخل النظام نفسه.

3. حلقات التغذية الراجعة السلبية البسيطة (مثل تنظيم الغلوكوز):

• التحفيز: بعد تناول وجبة غنية بالكربوهيدرات (Carbohydrates) مثل الأرز، ترتفع مستويات الغلوكوز (Glucose) في بلازما الدم (Blood Plasma).
• المستشعر: تنشيط خلايا بيتا (Beta Cells) في البنكرياس (Pancreas).
• الاستجابة: تُطلق خلايا بيتا الأنسولين (Insulin) في الدم، يعمل الأنسولين على العضلات الهيكلية لامتصاص الغلوكوز وإزالته (Removal) من الدم (وتخزينه).
• النتيجة: تنخفض مستويات الغلوكوز في البلازما، مما يُزيل الإشارة البدائية (ارتفاع الغلوكوز).

4. حلقات التغذية الراجعة السلبية المعقدة (مثل تنظيم هرمونات الغدة الدرقية):

• التحفيز: انخفاض درجة حرارة الجسم.
• المستشعر/مركز التكامل الأولي: تُكتشف بواسطة منطقة تحت المهاد (الدماغ).
• الاستجابة 1: تُفرز تحت المهاد هرمون TRH (Thyrotropin-releasing hormone).
• المستجيب 1/المستقبل 2: يعمل TRH على الغدة النخامية (Pituitary Gland) (منطقة أخرى في الدماغ).
• الاستجابة 2: تُفرز الغدة النخامية هرمون TSH (Thyroid-stimulating hormone).
• المستجيب 2/المستقبل 3: يعمل TSH على الغدة الدرقية (Thyroid Gland).
• الاستجابة 3: تُفرز الغدة الدرقية هرمون الغدة الدرقية (Thyroid Hormone).
• المستجيب النهائي: يعمل هرمون الغدة الدرقية على جميع خلايا الجسم لزيادة التمثيل الغذائي (Metabolism) وتوليد الحرارة (Heat Generation).
• النتيجة: تُزال إشارة البدء (درجة الحرارة المنخفضة) من خلال توليد الحرارة، هذا مثال على كيفية قيام المستجيب النهائي بعمل ردود فعل سلبية على المستويات السابقة في السلسلة لإيقافها.

حلقات التغذية الراجعة الإيجابية (Positive Feedback)

لا تحدث حلقات التغذية الراجعة الإيجابية في العديد من المواقع في الجسم، ولكنها مهمة جدًا حيث توجد. بدلاً من إزالة التحفيز الأولي، تعمل حلقات التغذية الراجعة الإيجابية على تعزيزه (Amplification) وزيادته (Enhancement).

• مثال في الجهاز التناسلي الأنثوي (Female Reproductive System): في المبيض (Ovary)، يُنظم نمو البويضة (Oocyte). تُفرز خلية الغدد الصماء النخامية (Pituitary Endocrine Cell) هرمون FSH (Follicle-stimulating hormone)، الذي يعمل على الخلايا المستهدفة في المبيض لزيادة عدد مستقبلات FSH على تلك الخلايا. هذا يجعل الخلية المستهدفة شديدة الحساسية لـ FSH، مما يُعزز استجابتها لـ FSH.
• مثال في تخثر الدم (Blood Clotting): عندما تبدأ سلسلة تخثر الدم (Blood Clotting Cascade)، تُنتج سلسلة من البروتياز (Proteases) التي تنتهي بـجلطة الفيبرين (Fibrin Clot). هذه البروتياز تُعزز وتُنشط نفسها، مما يُؤدي إلى نظام متسارع يُنتج المزيد والمزيد من جلطة الفيبرين.

ملاحظة هامة: بما أن حلقات التغذية الراجعة الإيجابية تُعزز العملية، يجب أن تكون هناك آلية لإيقافها. في حالة تخثر الدم، تُوقف حلقة رد فعل سلبية هذه العملية لمنع تجلط الدم بأكمله.

الضوابط المقوية والمضادة

بالإضافة إلى حلقات التغذية الراجعة، هناك آليات أخرى للتحكم:

التحكم المقوي (Tonic Control)

لا يقوم هذا النظام بتشغيل أو إيقاف شيء ما، بل يُعدل نشاط (Activity) خلية معينة. مثال على ذلك هو خلايا العضلات الملساء (Smooth Muscle Cells) التي تُبطن حيز تجويف الأوعية الدموية (Vascular Lumen) (مثل الشرايين – Arteries والشرايين الصغيرة – Arterioles). في الظروف العادية، تتمتع هذه الخلايا بحالة قاعدية من الانقباض (Contraction).

• زيادة المدخلات الودية (Increased Sympathetic Input): إذا زادت المدخلات من الجهاز العصبي الودي (Sympathetic Nervous System) إلى العضلات الملساء، تنقبض الخلايا أكثر، مما يُصغر حيز تجويف الوعاء الدموي (تضيق الأوعية – Vasoconstriction).
• انخفاض المدخلات الودية (Decreased Sympathetic Input): إذا انخفضت المدخلات الودية، تسترخي الخلايا العضلية الملساء، مما يُوسع حيز تجويف الوعاء الدموي (تمدد الأوعية – Vasodilation).
• الميزة الفريدة: يمكن للعضلات الملساء الحفاظ على حالة معينة من الانقباض لفترات طويلة جدًا، على عكس العضلات الهيكلية (Skeletal Muscles) أو عضلة القلب (Cardiac Muscle). تخيلها كقرص راديو: يمكنك رفع أو خفض مستوى الصوت، لكنك لا تُغلقه أبدًا.
  

التحكم المضاد (Antagonistic Control)

تتوسطه عادةً أجهزة عصبية (Nervous Systems) تعمل في اتجاهين متعاكسين.
مثال على ذلك هو التحكم في القلب بواسطة الجهاز العصبي الباراسمبثاوي (Parasympathetic Nervous System) والجهاز العصبي السمبثاوي (Sympathetic Nervous System).

1. الجهاز الباراسمبثاوي: يُبطئ معدل ضربات القلب (Heart Rate) (يمكن أن يُخفضها إلى أقل من 100 نبضة في الدقيقة). الرياضيون المدربون تدريبًا عاليًا غالبًا ما يتمتعون بنبرة باراسمبثاوية عالية (High Parasympathetic Tone) جدًا، مما يُمكنهم من معدل ضربات قلب منخفض جدًا.

2. الجهاز السمبثاوي: يُزيد معدل ضربات القلب (يمكن أن يرفعه إلى أكثر من 100 نبضة في الدقيقة)، وهذا ضروري في حالات الجهد البدني (Physical Exertion) أو الإجهاد (Stress).

إيقاعات الساعة البيولوجية (Circadian Rhythms)

إيقاعات الساعة البيولوجية هي تغييرات تحدث في الأنظمة البيولوجية بجسمك على مدار 24 ساعة، دون أي تدخل واعٍ منك، وهي نوع من التغيرات الإيقاعية التلقائية (Automatic Rhythmic Changes).

إليك إيقاعات الساعة البيولوجية:

• تغيرات درجة الحرارة: تنخفض درجة حرارة الجسم قليلاً أثناء النوم ليلاً وترتفع مرة أخرى في الصباح.
• تغيرات الهرمونات:
  • هرمون النمو (Growth Hormone – GH): يُطلق أثناء النوم المبكر، ثم ينخفض إلى مستويات أساسية عند الاستيقاظ. تُحفز المعدة الفارغة (عبر هرمون الجريلين – Ghrelin) إفراز هرمون النمو، الذي يرفع مستويات الغلوكوز في الدم.
  • الكورتيزول (Cortisol): يزداد قبل الاستيقاظ مباشرة، ويُساعد أيضًا في رفع مستويات الغلوكوز في الدم.
• التكيف مع تغيرات المناطق الزمنية (Jet Lag): عندما تسافر عبر مناطق زمنية مختلفة (مثل من نيويورك إلى لندن)، تشعر بالانزعاج (Discomfort) لبضعة أيام.
  هذا لأن جسمك يُعيد ضبط نقاط الضبط (Set Points) لإيقاعات الساعة البيولوجية (لدرجة الحرارة، الكورتيزول، هرمون النمو، وغيرها).
  النوم (Sleep) والاستيقاظ (Wakefulness) هما الدورتان الأساسيتان اللتان تُمليان إعادة الضبط هذه، وليس ضوء النهار أو الظلام.
• انماط النوم: تعرف أيضًا بالطيور الليلية (Night Owls) والصباحية (Early Birds).
  وهي الفروقات بين الأشخاص الذين يُفضلون السهر والذين يُفضلون الاستيقاظ مبكرًا هي ببساطة اختلافات في إيقاعات الساعة البيولوجية لديهم. هذا لا يُعتبر مرضيًا (Pathological)، بل هو اختلاف طبيعي في ضبط الجسم لإيقاعه اليومي.

مفاهيم أساسية يجب تذكرها

1. استقرار المتغيرات الداخلية (Stability of Internal Variables) يُحقق بالموازنة بين مدخلاتنا ومخرجاتنا للجسم وبين أنظمة الأعضاء.
2. في حلقة التغذية الراجعة السلبية، تُصحح التغييرات في المتغيرات بإعادة الجسم إلى نقطة الضبط الأولية، ومع ذلك، من المهم جدًا تذكر أن نقاط الضبط يمكن إعادة تعيينها (Can Be Reset).
   يمكننا إعادة ضبطها لتتحمل مستويات عالية من الصوديوم، درجات حرارة منخفضة، انخفاض ضغط الدم أو ارتفاعه. يتم تعديل هذه النقاط المحددة باستمرار.
3. ليس من الممكن دائمًا الحفاظ على كل شيء ثابتًا نسبيًا. هناك تسلسل هرمي (Hierarchy) في الحفاظ على الحياة.
   الدماغ والقلب يفوزان دائمًا، الدماغ يريد الدم، وسيحصل على الدم، حتى لو كان ذلك على حساب الأعضاء الأخرى في بعض الظروف الحرجة.

في المحاضرة القادمة، سنتناول المزيد عن توازن أحياز السوائل (Fluid Compartments) – ما يعرف بتوزيع السوائل في الجسم- وكيفية نقل المواد من حيز إلى آخر.