D.3.3 · Гомеостаз

Эта раздаточная страница охватывает выбранные темы HL/SL для курса, впервые оцениваемого в 2025; это не весь курс.

Предварительные знания: гормоны и клеточная сигнализация из D.3.1–D.3.2, а также проценты из математики.

Примеры являются оригинальными и вымышленными: они не представляют собой реальные измерения или реальные студенческие исследования.

Что могло бы объяснить это наблюдение?

• После обильного приёма пищи уровень глюкозы в крови резко возрастает, но уже через час возвращается к исходному значению, а после ночи без еды остаётся стабильным. Что удерживает его постоянным?

Постройте модель

• Гомеостаз — поддержание практически постоянного внутреннего окружения вокруг точки устоя. Он работает по принципу отрицательной обратной связи: детектор фиксирует изменение, центр управления сравнивает его с точкой устоя, а эффектор вырабатывает ответ, который ПРОТИВОДЕЙСТВУЕТ изменению.
• Для глюкозы в крови: при повышении её концентрации поджелудочная железа выделяет инсулин, который стимулирует клетки печени и мышц поглощать глюкозу и запасать её в виде гликогена, поэтому уровень глюкозы снижается. При слишком низком уровне глюкагон запускает преобразование гликогена обратно в глюкозу в печени, поэтому уровень повышается. Выделение гормонов регулируется отрицательной обратной связью по мере возврата глюкозы к нормальному диапазону.
• гомеостаз: Поддержание практически постоянного внутреннего окружения вокруг точки устоя; отрицательная обратная связь: Контрольная петля, чей ответ противодействует первоначальному изменению; инсулин: Гормон, снижающий уровень глюкозы в крови за счёт стимулирования её поглощения и запасания; глюкагон: Гормон, повышающий уровень глюкозы в крови за счёт высвобождения запасённой глюкозы.

Выберите доказательства для проверки гипотезы

• Измеряйте уровень глюкозы в крови через равные промежутки времени после приёма пищи: модель предсказывает рост, пик и возвращение к точке устоя по мере действия инсулина — и та же запись показывает повышение инсулина до снижения глюкозы, причина приходит раньше исправления.
• Сравните человека, чья поджелудочная железа не может вырабатывать инсулин: уровень глюкозы остаётся высоким после приёма пищи, прямое доказательство того, что инсулин связывает детектор и ответ.

Работайте с известными величинами

• Дано: уровень глюкозы в крови человека повышается от заданного значения 5.0 до 7.0 ммоль/л после приёма пищи. Изменение = конечное − начальное = 7.0 − 5.0 = 2.0 ммоль/л. Процентное отклонение = 2.0/5.0 × 100 = 40% выше заданного значения. Отрицательная обратная связь действует до тех пор, пока значение не вернётся близко к 5.0 ммоль/л.

Пример:

Во время голодания уровень глюкозы в крови снижается от 5.0 до 4.2 ммоль/л. Найдите процентное отклонение от заданного значения и назовите реагирующий гормон, используя ту же последовательность: известные величины → модель → соотношение → подстановка → единица и интерпретация. (Ответ: изменение = 4.2 − 5.0 = −0.8 ммоль/л; отклонение = −0.8/5.0 × 100 = −16%; глюкагон реагирует на повышение.)

Проверьте вывод и его границы применимости

• Гомеостаз является ПОЧТИ постоянным, а не фиксированным: значение колеблется вокруг заданного уровня, поскольку каждому ответу требуется время. Эта модель охватывает глюкозу в крови; температура, вода и углекислый газ имеют собственные детекторы и эффекторы по той же логике.

Предупреждение:

Утверждение, что отрицательная обратная связь делает измеренное значение отрицательным, неверно: «отрицательный» означает, что ответ ПРОТИВОДЕЙСТВУЕТ изменению — рост вызывает снижение, а снижение вызывает рост. Измеряемое значение остаётся положительным и близким к заданному уровню.

Ключевые моменты:

Гомеостаз: датчик → центр управления → эффекторные петли поддерживают внутренние условия близкими к заданному уровню посредством отрицательной обратной связи. Инсулин снижает повышенную концентрацию глюкозы в крови; глюкагон повышает пониженную; корректирующий ответ ослабевает по мере восстановления баланса.

Запишите с момента действия инсулина

• Уровень глюкозы в крови повышается от 4 до 9 ммоль/л после приёма пищи.
• Какой гормон действует и в каком направлении? Инсулин — снижает глюкозу, возвращая её к заданному значению.

Запишите с момента действия глюкагона

• Чуть позже уровень глюкозы снижается до 3 ммоль/л.
• Какой гормон действует? Глюкагон — повышает глюкозу; петля обратной связи реагирует в обоих направлениях.

Запишите по ослаблению корректирующего ответа

• Инсулин выполнил свою функцию, и уровень глюкозы вернулся к заданному значению.
• Что происходит с выделением инсулина? Оно снижается — отрицательная обратная связь уменьшает корректирующий ответ по мере восстановления баланса.