Homeostase er mer enn å tråkke vann
Av David Coppedge, 2. juli 202. Oversatt herfra {Understreking og kursiv ved oversetter.}

Hvis du skulle se en person tråkke vann i en grumsete innsjø, ville du kanskje anta at hun står på grunn bunn. Hun ser kanskje rolig ut og snakker med deg, men under overflaten skjer det mye sparking og padling. Det er litt som homeostase, et bredt begrep for å opprettholde indre stabilitet i et dynamisk miljø. Her skal vi se på nyere oppdagelser som viser kompleksiteten i systemer som kreves for å holde organismer i drift mens omgivelsene endrer seg.

Bilde 1. Mye ukjent om homeostase

Froskepust
Tenk deg tilfellet med en frosk som opprettholder pusterefleksen mens temperaturen synker. I likhet med oss må den sørge for at oksygenet kommer inn og CO2 går ut, men uten endotermi kan pusten stoppe opp i kulden eller akselerere for raskt når temperaturen stiger. Hva får frosken til å puste suksessfullt?
I Current Biology -lenke gjennomgår Tara A. Janes og Richard Kinkead en studie av Cannon og Santin, også i Current Biology -lenke. Forskerne identifiserte spesifikke nevroner, signaler og reseptorer som er involvert i å opprettholde rytmen. Janes og Kinkead kommenterer at pustehomeostase er alt annet enn kjedelig:
"Respiratoriske nettverk, som de fleste nettverk, har som mål å opprettholde relativ stabilitet i aktivitetsnivået over tid. Tradisjonelt har dette blitt beskrevet i form av aktivitetsavhengige mekanismer der nevroner reagerer på sitt eget aktivitetsnivå. På cellenivå involverer dette ofte responser på intracellulær kalsiumsignalering som skjer proporsjonalt med aktiviteten. Nevroner kan også stabilisere nettverksfunksjonen ved å finjustere ion-kanaltetthet, synaptiske styrker og iboende eksitabilitet."

Før Cannon og Santins arbeid, sier de, kom mye av det som var kjent om homeostatiske nettverk fra studier om gnagere som drar nytte av endotermi. Hvordan opprettholder frosker sin autonome pusterytme uten den luksusen? Enda mer utfordrende, hvordan opprettholder de oksygeninntaket når de gjennomgår metamorfose fra rumpetroll til voksen?
"Et grunnleggende prinsipp er at når kroppstemperaturen går ned, synker også stoffskiftet og trang til å puste. Bemerkelsesverdig nok overlever og trives frosker i møte med disse miljømessige svingningene ved å opprettholde aktivitet i de respiratoriske rytmegenererende nettverkene for luftpusting. Så hvordan gjør de det?"

Ved å endre temperaturene i hjernestamme-ryggmargspreparater fra oksefrosker som kan overleve in vitro i en dag, fant Cannon og Santin i "et smart sett med eksperimenter" "en ny, miljødrevet mekanisme som regulerer nettverksaktivitet, og som er i stand til å drive kompenserende endringer i respirasjonsfunksjonen som respons på kuldeeksponering".
Først bestemte de at temperatur alene fungerer som en utløser for visse endringer på cellenivå. Ved 10C opphørte motoraktiviteten, men ble hypereksitert da temperaturen gikk tilbake til 22C. "Dette tyder på at kuldeeksponering fremkaller økt nettverkseksitabilitet i et forsøk på å gjenopprette respirasjonsmotorisk ytelse", sier kommentatorene. Men mye mer er involvert: produksjon av noradrenalin i Locus Coeruleus (LC), "en kompakt og svært homogen gruppe nevroner som ligger rostralt til respirasjonsnettverkene", som utløser endringer i kalsiumion-kanaler.

Bilde 2. Indisk oksefrosk -hvordan skjer temp-regulering?

"Påfølgende farmakologiske eksperimenter viste at hemming av den elektrogene Na+-pumpen fungerer som et kritisk transduksjonstrinn som respons på akutte temperaturendringer, som deretter aktiverer nettverkskompensasjon via β-adrenerg reseptorsignalering -lenke."
For å fortsette å puste når det er kaldt, er en frosk avhengig av de koordinerte responsene fra temperatursensorer, hormoner, LC-nevroner, nevrale kretser, natriumpumper, reseptorer, kalsiumioner og muskler. Forskningen forklarer ikke alt, men forfatterne foreslår nye ideer som absolutt er verdt videre utforskning. En som fanget vår oppmerksomhet er forslaget om at sentrale respirasjonskretser bytter fra CO2/pH-registrering til temperaturregistrering som en viktig kilde til å puste ved kjølige temperaturer. På denne måten lar temperaturfølsomhet nettverket gjenopprette aktivitet under forhold der det kan være nødvendig, samtidig som nettverket opprettholder evnen til å bli stille når det er tilpasningsdyktig til å gjøre det.
Janes og Kinkead snakker som luftpustere selv og konkluderer: "Til tross for vår respirasjonsskjevhet, erkjenner vi ydmykt at nevrale kretser regulerer andre viktige fysiologiske prosesser utover pusting."

Synapsetrafikkontroll
I min artikkel om synapsen fra 2024 delte jeg min forvirring over hvordan disse nanoskopiske signaltransduserne fungerer og yter raskt og pålitelig til tross for flere overganger i informasjonsbærende medier. En ny artikkel forsterker min forvirring ved å hevde at synapser bringer orden ut av tilfeldighet. (For mer om hvordan livet bringer orden ut av kaos, se denne artikkelen.)
Krisha Aghi et al., som skriver om fruktfluer i Current Biology, finner at "romlig fordeling av tilretteleggende og dempende synapser er tilfeldig", og likevel opprettholder nevronene stabil overføring uansett. Hvordan?

Bilde 3. Hvordan sikres stabil overføring -over synapsekløften?

"Synaptisk styrke kan variere sterkt mellom synapser. Optisk kvantanalyse ved Drosophila glutamaterge motornevronsynapser viser at kortsiktig plastisitet også varierer sterkt mellom synapser, selv de som er laget av et individuelt motornevron -lenke. Sterke og svake synapser er tilfeldig fordelt i motornevronets nerveterminal, i likhet med tilretteleggende og dempende synapser. Selv om synapser viser svært heterogen basal styrke ved lav aksjonspotensial-avfyringsfrekvens og gjennomgår varierende plastisitet når avfyringsfrekvensen øker, forblir den totale fordelingen av styrke på tvers av synapser bemerkelsesverdig konstant på grunn av en balanse mellom antall synapser som tilrettelegger kontra demper, og deres grad av plastisitet og basal synaptisk vekt. Konstant transmitterfrigjøring kan sikre robusthet under skiftende atferdsforhold."
Robustheten til det overførte signalet, til tross for individuelle variasjoner i synaptisk plastisitet, lar fruktfluer fly, men denne metoden lar oss også leve og bevege oss. Hvordan denne "metoden i galskap"-mekanismen er i stand til å fungere automatisk i nervesystemet fra spedbarn i livmoren til idrettsutøver til pensjonist, må få oss alle til å stå i ærefrykt.

Bilde 4. Mye som skal stemme i en levende celle

Oppklaring av klokkeforvirring
Se for deg at du må følge to klokker som går i ulik hastighet. Det ville være som å prøve å spille tromme eller trompet i Symfoni nr. 4 av Charles Ives, som i én sats krevde to dirigenter som viftet med dirigentstavene sine i ulikt tempo.
Fordi vi har bevissthet og store hjerner, kan vi mennesker spore månesykluser, solsykluser og orbitale sykluser samtidig ved hjelp av erfaring, språk, diagrammer og datamaskiner. Men hvordan gjør et krepsdyr det? Her er et tilfelle av livssyklushomeostase. Hvis et krepsdyr kommer ut av rytme, kan det tørke ut på steiner eller ikke klare å reprodusere seg.
"Hvordan marine arter takler både døgn- og tidevannssykluser er uklart. En ny studie på krepsdyr identifiserer distinkte hjerneceller som viser enten 24- eller 12,4-timers rytmer av genuttrykk, og dermed gir en mekanisme for å spore flere miljøsykluser."
Så begynner Victoria Lewis og Patrick Emery i en Dispatch i samme utgave av Current Biology -lenke. De sier at døgnklokken (dag/natt-syklus) er ganske godt forstått:
"Kjerneakkumuleringen og den påfølgende nedbrytningen av repressorkomplekset er avhengig av kinaser og fosfataser som justerer perioden til døgnpacemakeren til ~24 timer (t). Døgnklokken styres primært av lys-mørke (LD)-syklusen, men reagerer også på temperatursyklusen og andre relevante signaler. Med oppklaringen av de molekylære mekanismene som ligger til grunn for døgnklokker, kommer et sentralt spørsmål: Er lignende mekanismer involvert i andre biologiske rytmer?"

Det er de faktisk. De kommenterer forskning rapportert i samme utgave av Oliphant et al. som "presenterer bevis som støtter ideen om at døgnklokkemaskineriet er omprogrammert for å la marine organismer takle tidevannssykluser gjennom dedikerte hjerneceller."
Den nye studien bidrar til å begrense tre hypoteser om hvordan marine krepsdyr kan holde tritt med to tempoer: cirkadiske rytmen og tidevans-rytmen. Men hvordan samhandler de resulterende proteinene når de reguleres av forskjellige hjerneceller? "Omfanget av den mekanistiske overlappingen mellom de to klokkene", bemerker de, "må fortsatt bestemmes." Faktisk "trengs det fortsatt betydelig arbeid for å forstå hvordan døgnrytmer innrettes og genereres." Likevel klarer den beskjedne sandloppen seg uten en tanke.

Bilde 5.Sandloppe-klarer seg uten en tanke

Mye mer om homeostase
Disse tre studiene illustrerer kompleksiteten til homeostase, men det finnes mange tusen flere som det kunne blitt hentet fra. Andre nylige eksempler i bunken min inkluderer, i korte trekk:
Et "mitokondriekontaktsted og cristae-organiseringssystem" som holder membranene intakte i disse cellulære kraftverkene (Current Biology).
Et system for å forhindre trengsel i epitelvev som ellers kunne forårsake celleskade og -tap (Northwestern University Medicine).
Spatiotemporal kontroll av mitose av cyklinavhengig kinase (CDK)-lenke for å holde orden under de mange raske endringene i cellen (Nature).
Et forhold mellom cellesyklusen, døgnrytmen og smakssansen som kan føre til at mat smaker forskjellig på forskjellige tider av døgnet (PNAS)

Bilde 6. Stoffskiftet (metabolisme) må også bli styrt homeostatisk 

En ny organelle i cellen, kalt hemifusomet, som "kunne fundamentalt omforme vår forståelse av hvordan celler resirkulerer innholdet sitt og sorterer og dirigerer intracellulær last" (University of Virginia School of Medicine).
Homeostase er et enormt variert og komplekst felt modent for oppdagelser fra et designperspektiv. Det tilfører en essensiell tidsdimensjon til den ikke-reduserbare kompleksiteten, og avslører samspillet mellom flere Intermediate Compartment (IC)-komponenter som samarbeider for å holde en organisme stabil i et miljø i endring. Og mens vi beundrer den smilende svømmerens ansikt over vann, må vi ikke være uvitende om de kraftig bevegende beina og armene under overflaten som holder henne flytende.

Om forfatteren: DAVID COPPEDGE -kredit til David Coppedge (Bilde 7)

David Coppedge er en frilans vitenskapsreporter i Sør-California. Han har vært styremedlem i Illustra Media siden grunnleggelsen og fungerer som deres vitenskapskonsulent. Han jobbet ved NASAs Jet Propulsion Laboratory (JPL) i 14 år, på Cassini-oppdraget til Saturn, til han ble kastet ut i 2011 for å dele materiale om intelligent design, en diskriminerende handling som førte til en nasjonalt publisert rettssak i 2012. Discovery Institute støttet saken hans, men en ensom dommer dømte ham mot ham, uten forklaring. En naturfotograf, friluftsmann og musiker, David har B.S. grader i realfagsutdanning og i fysikk og holder presentasjoner om ID og andre vitenskapelige emner.

Oversettelse, via google oversetter, og bilder ved Asbjørn E. Lund