สภาวะสมดุลคืออะไร?

สภาวะสมดุลเป็นหลักสำคัญของวิทยาศาสตร์เพื่อชีวิต

สภาวะสมดุลคือความสามารถในการรักษาสถานะภายในที่ค่อนข้างคงที่ซึ่งยังคงมีอยู่แม้จะมีการเปลี่ยนแปลงในโลกภายนอก สิ่งมีชีวิตทั้งหมด ตั้งแต่พืช ลูกสุนัข ไปจนถึงมนุษย์ ต้องควบคุมสภาพแวดล้อมภายในของพวกมันเพื่อประมวลผลพลังงานและอยู่รอดได้ในที่สุด ตัวอย่างเช่น หากความดันโลหิตของคุณพุ่งสูงขึ้นหรืออุณหภูมิ ร่างกายลด ลง ระบบอวัยวะของคุณอาจมีปัญหาในการทำงานและล้มเหลวในที่สุด

ทำไมสภาวะสมดุลจึงสำคัญ?

นักสรีรวิทยา วอลเตอร์ แคนนอน (Walter Cannon) เป็นผู้คิดค้นคำว่า “สภาวะสมดุล” ในช่วงทศวรรษ 1920 โดยขยายจากงานก่อนหน้าโดยนักสรีรวิทยาคลอดด์ เบอร์นาร์ด ในยุค 1870 เบอร์นาร์ดอธิบายว่าสิ่งมีชีวิตที่ซับซ้อนต้องรักษาสมดุลในสภาพแวดล้อมภายในของพวกเขาหรือ “สภาพแวดล้อมภายใน ” เพื่อนำไปสู่ ​​”ชีวิตที่เป็นอิสระและเป็นอิสระ” ในโลกภายนอก Cannon ขัดเกลาแนวคิดนี้ และแนะนำสภาวะสมดุลให้กับผู้ชมที่ได้รับความนิยมผ่านหนังสือของเขา “The Wisdom of the Body” (The British Medical Journal, 1932)

นิยามพื้นฐานของสภาวะสมดุลของ Cannon ที่ได้รับการยกย่องว่าเป็นหลักการสำคัญของสรีรวิทยายังคงใช้อยู่ในปัจจุบัน คำนี้มาจากรากศัพท์ภาษากรีก แปลว่า “คล้ายคลึงกัน” และ “สถานะของความมั่นคง” คำนำหน้า “homeo” เน้นว่าสภาวะสมดุลไม่ทำงานเหมือนเทอร์โมสตัทหรือระบบควบคุมความเร็วอัตโนมัติในรถยนต์ โดยกำหนดอุณหภูมิหรือความเร็วที่แน่นอนไว้เพียงค่าเดียว ในทางกลับ กัน สภาวะสมดุลถือปัจจัยทางสรีรวิทยาที่สำคัญภายในช่วง ค่าที่ยอมรับได้ ตามการทบทวนในวารสารAppetite(เปิดในแท็บใหม่).

ที่เกี่ยวข้อง: อุณหภูมิร่างกายมนุษย์โดยเฉลี่ยเท่ากันหรือไม่?

ตัวอย่าง เช่น ร่างกายมนุษย์ควบคุมความเข้มข้นภายในของไฮโดรเจน แคลเซียม โพแทสเซียม และโซเดียม ซึ่งเป็นอนุภาคที่มีประจุซึ่งเซลล์ต้องพึ่งพาเพื่อการทำงานปกติ กระบวนการ Homeostatic ยังรักษาระดับน้ำ ออกซิเจน pH และน้ำตาลในเลือดเช่นเดียวกับอุณหภูมิของร่างกายแกนกลาง ตามการทบทวนในปี 2015 ในAdvances in Physiology Education(เปิดในแท็บใหม่).

ในสิ่งมีชีวิตที่มีสุขภาพดี กระบวนการ homeostatic จะเผยออกมาอย่างต่อเนื่องและอัตโนมัติ ตามข้อมูลของScientific American(เปิดในแท็บใหม่). ระบบหลายระบบมักจะทำงานควบคู่กันเพื่อรักษาปัจจัยทางสรีรวิทยาเพียงตัวเดียว เช่น อุณหภูมิของร่างกาย หากมาตรการเหล่านี้สะดุดหรือล้มเหลว สิ่งมีชีวิตอาจต้องจำนนต่อโรคหรือถึงแก่ชีวิต

สภาวะสมดุลได้รับการดูแลอย่างไร?

ระบบ homeostatic จำนวนมากฟังสัญญาณความทุกข์จากร่างกายเพื่อทราบเมื่อตัวแปรสำคัญหลุดออกจากช่วงที่เหมาะสม ระบบประสาทตรวจพบการเบี่ยงเบนเหล่านี้และรายงานกลับไปที่ศูนย์ควบคุมซึ่งมักอยู่ในสมอง จากนั้นศูนย์ควบคุมจะสั่งการกล้ามเนื้อ อวัยวะ และต่อมต่างๆ เพื่อแก้ไขการรบกวน การรบกวนและการปรับตัวอย่างต่อเนื่องเรียกว่า “คำติชมเชิงลบ” ตามตำราเรียนออนไลน์กายวิภาคและสรีรวิทยา(เปิดในแท็บใหม่).

ตัวอย่างเช่น ร่างกายมนุษย์มีอุณหภูมิแกนกลางอยู่ที่ประมาณ 98.6 องศาฟาเรนไฮต์ (37 องศาเซลเซียส) เมื่อเกิดความร้อนสูงเกินไป เทอร์โมเซนเซอร์ในผิวหนังและสมองจะส่งเสียงเตือน ทำให้เกิดปฏิกิริยาลูกโซ่ที่สั่งให้ร่างกายมีเหงื่อออกและหน้าแดง เมื่อแช่เย็น ร่างกายจะตอบสนองด้วยการสั่น และลดการไหลเวียนของโลหิตไปยังผิวหนัง ในทำนองเดียวกัน เมื่อระดับโซเดียมสูงขึ้น ร่างกายส่งสัญญาณให้ไตประหยัดน้ำและขับเกลือส่วนเกินออกในปัสสาวะเข้มข้น ตามการศึกษาที่ได้รับทุนสนับสนุนจาก NIH สองครั้ง(เปิดในแท็บใหม่).

สัตว์ยังจะปรับพฤติกรรมเพื่อตอบสนองต่อข้อเสนอแนะเชิงลบ ตัวอย่างเช่นเมื่อทำให้ร้อนเกินไปเราอาจหลั่งเสื้อผ้าเป็นชั้น ย้ายเข้าไปอยู่ในที่ร่ม หรือดื่มน้ำเย็นสักแก้ว

โมเดลโมเดิร์นของสภาวะสมดุล

แนวคิดของข้อเสนอแนะเชิงลบมีขึ้นตั้งแต่คำอธิบายของ Cannon เกี่ยวกับสภาวะสมดุลในทศวรรษที่ 1920 และเป็นคำอธิบายแรกเกี่ยวกับวิธีการทำงานของสภาวะสมดุล (homeostasis) แต่ในช่วงไม่กี่สิบปีที่ผ่านมา นักวิทยาศาสตร์หลายคนแย้งว่าสิ่งมีชีวิตสามารถคาดการณ์การหยุดชะงักของสภาวะสมดุลที่อาจเกิดขึ้นได้ แทนที่จะตอบสนองต่อพวกมันหลังจากข้อเท็จจริงเท่านั้น

แบบจำลองทางเลือกของสภาวะสมดุลที่เรียกว่า allostasis บอกเป็นนัยว่าจุดตั้งค่าในอุดมคติสำหรับตัวแปรหนึ่งๆ สามารถเปลี่ยนแปลงเพื่อตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงสภาพแวดล้อมชั่วคราว ตามบทความในPsychological Review ปี 2015(เปิดในแท็บใหม่). ประเด็นอาจเปลี่ยนไปภายใต้อิทธิพลของจังหวะการเต้นของหัวใจ รอบประจำเดือน หรือความผันผวนของอุณหภูมิร่างกายในแต่ละวัน ค่าที่ตั้งไว้อาจเปลี่ยนไปตามปรากฏการณ์ทางสรีรวิทยา เช่น ไข้ หรือเพื่อชดเชยกระบวนการสภาวะสมดุลที่เกิดขึ้นพร้อมกันหลายครั้ง ตามการทบทวนในปี พ.ศ. 2558 ในAdvances in Physiology Education(เปิดในแท็บใหม่).

Art Woods นักชีววิทยาจาก University of Montana ใน Missoula กล่าวว่า “ค่าที่ตั้งไว้นั้นไม่คงที่ แต่สามารถแสดงความเป็นพลาสติกแบบปรับตัวได้ “แบบจำลองนี้ช่วยให้สามารถตอบสนองต่อสิ่งรบกวนที่อาจเกิดขึ้นเพื่อกำหนดจุด”

ตัวอย่างเช่น ขณะรออาหาร ร่างกายจะหลั่งอินซูลินเสริม เกรลิน และฮอร์โมนอื่น ๆ ตามการทบทวนปี 2550 ใน Appetite(เปิดในแท็บใหม่). มาตรการเชิงเอารัดเอาเปรียบนี้เตรียมร่างกายให้พร้อมรับแคลอรีที่หลั่งไหลเข้ามา มากกว่าการต่อสู้เพื่อควบคุมระดับน้ำตาลในเลือดและการเก็บพลังงานในยามตื่น

ความสามารถในการเปลี่ยนการตั้งค่าช่วยให้สัตว์ปรับตัวเข้ากับแรงกดดันในระยะสั้นได้ แต่อาจล้มเหลวเมื่อเผชิญกับความท้าทายในระยะยาว เช่น การเปลี่ยนแปลง สภาพภูมิอากาศ

“การเปิดใช้งานระบบตอบสนองแบบ homeostatic สามารถทำได้ในช่วงเวลาสั้น ๆ” วูดส์กล่าว แต่ไม่ได้ออกแบบมาให้ใช้งานได้ยาวนาน “ระบบ Homeostatic อาจล้มเหลวอย่างหายนะหากถูกผลักมากเกินไป ดังนั้นแม้ว่าระบบอาจสามารถจัดการกับสภาพอากาศที่แปลกใหม่ในระยะสั้นได้ แต่ก็อาจไม่สามารถจัดการกับการเปลี่ยนแปลงครั้งใหญ่ในระยะเวลานานได้”

“สมมติฐานข้อมูล” สำหรับสภาวะสมดุล

ระบบ Homeostatic อาจมีการพัฒนาเป็นหลักเพื่อช่วยให้สิ่งมีชีวิตรักษาการทำงานที่เหมาะสมในสภาพแวดล้อมและสถานการณ์ต่างๆ แต่ตามเรียงความปี 2013 ในวารสารTrends in Ecology & Evolution(เปิดในแท็บใหม่)นักวิทยาศาสตร์บางคนตั้งทฤษฎีว่าสภาวะสมดุลโดยพื้นฐานแล้วให้ “พื้นหลังที่เงียบสงบ” สำหรับเซลล์ เนื้อเยื่อ และอวัยวะในการสื่อสารระหว่างกัน ทฤษฎีนี้ระบุว่าสภาวะสมดุลทำให้สิ่งมีชีวิตสามารถดึงข้อมูลที่สำคัญจากสิ่งแวดล้อมและสัญญาณรถรับส่งระหว่างส่วนต่างๆ ของร่างกายได้ง่ายขึ้น

โดยไม่คำนึงถึงจุดประสงค์เชิงวิวัฒนาการ สภาวะสมดุลได้หล่อหลอมการวิจัยทางวิทยาศาสตร์เพื่อชีวิตมาเกือบศตวรรษ แม้ว่าส่วนใหญ่จะกล่าวถึงในบริบทของสรีรวิทยาของสัตว์ กระบวนการรักษาสมดุลยังช่วยให้พืชสามารถจัดการแหล่งพลังงาน บำรุงเซลล์ และตอบสนองต่อความท้าทายด้านสิ่งแวดล้อม นอกเหนือจากชีววิทยาแล้ว สังคมศาสตร์ ไซเบอร์เนติกส์ วิทยาการคอมพิวเตอร์ และวิศวกรรม ล้วนใช้สภาวะสมดุล (Homeostasis) เป็นกรอบการทำงานเพื่อทำความเข้าใจว่าผู้คนและเครื่องจักรสามารถรักษาเสถียรภาพได้อย่างไรแม้ว่าจะมีการหยุดชะงัก

แหล่งข้อมูลเพิ่มเติม

ดูกราฟิกที่เป็นประโยชน์เกี่ยวกับสภาวะสมดุลจากKhan Academy(เปิดในแท็บใหม่). เรียนรู้ว่าสภาวะสมดุลส่งผลกระทบต่อสรีรวิทยาของมนุษย์อย่างไรด้วยCrash Course(เปิดในแท็บใหม่). ชมวิดีโอนี้จากพี่น้องอะมีบา(เปิดในแท็บใหม่)เพื่อเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับคำติชมเชิงลบ

เผยแพร่ครั้งแรกบน Live Science 

หน้าแรก