Homöostase

Wird ein offenes, dynamisches System durch interne Prozesse in einem bestimmten Gleichgewichtszustand gehalten, dann bezeichnet man die Einhaltung des Gleichgewichtszustands auch als Homöostase. In dem System findet also eine Selbstregulation statt. Eine Homöostase gibt es in verschiedensten Bereichen, wie der Physik, der Ökologie, den Wirtschaftswissenschaften und auch in der Medizin. Ist in einem System eine Homöostase vorhanden, wird das System auch als Homöostat bezeichnet. Beispiel für eine Homöostase im menschlichen Körper sind zum Beispiel der selbstregulierende Blutzuckerspiegel oder die Regulation der Körpertemperatur.

Was ist eine Homöostase?

Der Begriff Homöostase kommt vom griechischen Wort „homoiostásis“ und bedeutet so viel, wie Gleichstand. Regelt sich ein System selbst und bleibt damit in einem bestimmten Gleichgewichtszustand, wird dies als Homöostase bezeichnet.
Eine Homöostase gibt es in den verschiedensten Bereichen:

  • Soziologie
  • Chemie
  • Physik
  • Psychologie
  • Wirtschaftswissenschaften
  • Ökologie
  • Rechtswissenschaften
  • Biologie
  • Medizin

Im Jahr 1860 wurde der Begriff von Claude Bernard das erste Mal verwendet. Aber erst durch Karl Ludwig von Bertalanffy und Walter Cannon in den 1930er Jahren bekam die Homöostase ihre heutige Bedeutung.

Homöostase in der Biologie
In der Biologie sind Gleichgewichtszustände sehr wichtig. Die Regulation dieser Gleichgewichtszustände geschieht über homöostatische Prozesse. Der Gleichgewichtszustand kann sich dabei auf kleine Einheiten, wie eine Zelle beziehen, aber auch auf große Einheiten, wie Organe oder den gesamten menschlichen Körper.
Die biologischen Gleichgewichtszustände lassen sich folgendermaßen messen:

  • physikalisch
  • chemisch
  • mathematisch (Anzahl)
  • anatomisch

Homöostatische Prozesse sind auf bestimmte Regelkreise angewiesen. In den Regelkreisen Laufen immer wieder vergleichbare Prozesse ab, in denen kontrolliert wird, ob der Gleichgewichtszustand noch vorhanden ist. Sind bestimmte Kontrollwerte über- oder unterschritten, werden Prozesse ausgelöst, um den Status quo wiederherzustellen.

Auftreten der Homöostase

Der Regelkreis der Homöostase ist nicht immer komplett im Körper. Äußere Einflüsse können zusätzlich Auswirkungen auf den Regelkreis haben. So kann zum Beispiel die Mineralstoffaufnahme, äußere Temperaturen oder die Flüssigkeitsaufnahme Auswirkungen auf verschiedene Regelkreise haben. Nicht alle äußeren Einflüsse lassen sich gleich gut kontrollieren und beeinflussen. Krankheiten können die einzelnen Regelkreisläufe negativ beeinflussen und stören. Manche Störungen können sogar lebensbedrohlich sein.

Funktion & Aufgabe

Durch die Homöostase werden viele wichtigen Prozesse im Körper geregelt:

  • Calcium– und Phosphathaushalt
  • Säure-Basen-Haushalt
  • Volumenhaushalt
  • Atemantrieb
  • Blutzucker
  • Energieumsatz
  • Blutdruck
  • Energiebilanz
  • Thermoregulation
  • Eisenstoffwechsel

Calcium– und Phosphathaushalt

Calcium- und Phosphationen haben eine bestimmte Konzentration im menschlichen Körper. Sie sind im Knochengewebe vorhanden und sind wichtige Elektrolyte. Für die Regelung des Calcium- und Phosphathaushalts sind drei verschiedene Hormone dafür verantwortlich. Sie sorgen für die Aufnahme der Ionen im Darm und die Ausscheidung über die Niere. Bei den Hormonen handelt es sich um Calcitriol, Parathormon und fibroblast growth factor 23 (FGF23).

Säure-Basen-Haushalt
Das Blut ist auf einen gleichbleibenden pH-Wert angewiesen. Die pH-Konzentration des Bluts beträgt 7,4. Abweichungen von maximal 0,05 sind möglich. Tritt eine Übersäuerung auf, der pH-Wert sinkt also, spricht man von einer Azidose. Eine Untersäuerung wird Alkalose genannt. Es gibt verschiedene Puffersysteme die dafür sorgen, dass der pH-Wert konstant bleibt. Ein Viertel der Pufferwirkung im Blut durch den Proteinpuffer erzeugt. Die anderen drei Viertel des Puffersystems wird durch den Kohlensäure/Hydrogencarbonat-Puffer. Dabei handelt es sich um ein offenes Puffersystem, da der Kohlendioxid-Gehalt durch die Lunge im Blut schnell variiert werden kann. Durch die Atmung wird der Kohlendioxid-Gehalt im Blut korrigiert.

Volumenhaushalt
Unter dem Volumenhaushalt versteht man das Körperwasservolumen. Dabei bezieht sich die Regulation nicht direkt auf das Körperwasservolumen, sondern auf die gelösten Salze im Wasser. Je nach Salzgehalt erfolgt eine Osmoregulation in den Zellen. Bei hoher Salzkonzentration kann es in den Zellen zu einem Volumenmangel kommen, wobei ein Volumenüberschuss Ödeme und Bluthochdruck verursachen kann. Die Osmoregulation erfolgt durch den osmotischen Druck. So wird die Salzkonzentration in den Zellen der Konzentration außerhalb angepasst.

Atemantrieb
Der Atemantrieb befasst sich mit der Sauerstoff- und Kohlendioxidkonzentration im Blut. Generell wird der Kohlendioxid-Partialdruck kontrolliert. Steigt der Kohlendioxid-Partialdruck im Blut an, registrieren dies arterielle Rezeptoren. Dadurch wird der Atemantrieb gesteigert und verstärkt. Die Atemmuskulatur wird aktiver und sorgt für eine häufigere Atmung. Vor allem das Zwerchfell ist vor allem davon betroffen. Mit der höheren Atemfrequenz nimmt der Kohlendioxid-Partialdruck im Blut wieder ab.

Blutzucker
Der Blutzucker wird durch den Glucosespiegel im Blut kontrolliert. das Nierenmark, die roten Blutkörperchen und das Gehirn nutzen Glucose zur Energiegewinnung. Andere Körperbestandteile gewinnen ihre Energie über den Fettstoffwechsel. Das Gehirn ist auf die Glucose angewiesen, da es durch die Blut-Hirn-Schranke durchqueren kann. Ein hoher Glucosespiegel führt zu Diabetes mellitus. Unterzucker kann Krampfanfälle, eine schlechtere Hirnleistung und Schweißausbrüche sowie zittrige Hände verursachen. Reguliert wird der Blutzuckerspiegel durch zwei Peptidhormone. Diese Peptidhormone werden in der Bauchspeicheldrüse produziert. Tritt eine Senkung des Blutzuckerspiegels auf, kommt das Hormon Glucagon zum Einsatz. Es hilft das Glykogen im Körper zu Glucose abzuwandeln. Bei hohem Blutzuckerspiegel sorgt das Insulin dafür, dass die Leber mehr Glucose verbraucht.

Blutdruck
Ein gleichmäßiger Blutdruck ist wichtig. Veränderungen im Blutdruck können zu Schädigungen von Organen führen. Druckabweichungen in den Arterien werden innerhalb von Sekunden durch den Barorezeptorenreflex geregelt. Bei einem hohen Druck werden Impulse von den Barorezeptoren zum Kreislaufzentrum geleitet. Dadurch wird die Innervation von Gefäßen und Herz gehemmt und der Blutdruck sinkt. Ist der Blutdruck zu niedrig, wird eine Stimulation des Kreislaufzentrums erzeugt. Bluthochdruck tritt oft bei Übergewicht auf, während sehr dünne Menschen eher an zu niedrigem Blutdruck leiden.

EisenStoffwechsel
Unter Eisenstoffwechsel versteht man die Verteilung des Eisens im Körper, sowie Aufnahme und Ausscheidung. Eisen ist ein Spurenelement, das sehr wichtig für den menschlichen Organismus ist. Es hat Einfluss auf den Sauerstofftransport, auf Zellfunktionen und auf die Sauerstoffaufnahme. Reguliert wird der Eisengehalt im Körper durch Resorption. Verluste im Körper lassen sich nicht regulieren. Das Peptid Hepcidin hat einen Einfluss auf den Eisengehalt im Körper. Denn es hilft dabei, zu viel Eisen abzubauen oder bei Eisenmangel den Eisenabbau zu bremsen.

Energiebilanz
Die Energiebilanz spielt eine große Rolle bei der Ernährung. Wird zu viel Energie zugeführt, dann hat der Körper mehr Energie, wie er verbrauchen kann. Die überschüssige Energie wird in Form von Körperfett für schlechte Zeiten gespeichert. Durch das Sättigungsgefühl wird die richtige Menge an Nahrungszufuhr kontrolliert und geregelt.

Thermoregulation
Die Thermoregulation befasst sich mit der Kontrolle der Körpertemperatur. Bei Säugetieren ist die Körpertemperatur unabhängig von der Außentemperatur immer bei ca. 37 Grad Celsius. Die Körpertemperatur bezieht sich dabei auf die innere Körpertemperatur. Die Temperatur von Extremitäten, wie Fingern, Zehen, Nase oder Ohren kann davon abweichen. Bei zu kalten Temperaturen können ungeschützte Extremitäten bei zu starker Unterkühlung abfrieren. Kühlt der Körper zu stark aus, sorgen Muskelkontraktionen dafür, dass die Körpertemperatur wieder stärkt. Die Muskelkontraktionen machen sich durch ein Zittern oder Zähneklappern sichtbar.

Homöostase im Gehirn
Besonders wichtig ist es, im Gehirn den bestehenden Status beizubehalten. Die Blut-Hirn-Schranke sorgt dafür, dass keine unerwünschten Stoffe bis zum Gehirn vordringen können. Krankheitserreger und Giftstoffe können bei einer intakten Blut-Hirn-Schranke nicht bis zum Gehirn vordringen. Sie funktioniert also wie ein Filter.

Bei allen Formen der Homöostase werden in verschiedenen Bereichen im Körper der Soll-Zustand mit dem Ist-Zustand verglichen. Erst bei einer Abweichung zwischen den beiden Zuständen wird eine Reaktion im Körper ausgelöst.

Krankheiten & Beschwerden

Es gibt zahlreiche Beschwerden, die durch eine nicht funktionierende Homöostase verursacht werden:

Osteoporose

In höherem Alter erfolgt eine geringere Nahrungsaufnahme. was die aufgenommene Calciummenge reduziert. Durch geringere Bewegung nimmt auch die Muskelmasse ab. Dies begünstigt den Knochenabbau. Bei Frauen ist die Calciumaufnahme in und nach den Wechseljahren durch den geringeren Estrogenspiegel noch einmal gesenkt. Die genannten Faktoren begünstigen die Entstehung von Osteoporose. Knochenbrüche können bereits bei einem einfachen Sturz auftreten.

Störung im Säure-Basen-Haushalt
Bereits geringe Störungen im Säure-Basen-Haushalt haben große Auswirkungen auf den gesamten Körper. Bereits geringe Abweichungen kommt es zu Konformationen der Proteine. Proteine sind ein wichtiger Bestandteil des menschlichen Körpers. Durch die Konformation kommt es zu Bewegungseinschränkungen und Totalausfällen. Eine Störung im Säure-Basenhaushalt muss sofort behandelt werden, da sie sonst tödlich verläuft.

Störungen im Atemantrieb
Probleme beim Atemantrieb resultieren vor allem daraus, dass der Sauerstoffgehalt im Blut langsamer sinkt, wie der Kohlendioxidgehalt steigt. Atemnot ist die Folge. Kommt es zu einer Adaption (Gewöhnung) an einen niedrigen Sauerstoffgehalt im Blut, kann die Zufuhr von hohem Sauerstoffgehalt, zum Beispiel bei einer Operation, einen Atemstillstand verursachen. Betroffen davon sind vor allem Patienten, die an Lungenerkrankungen leiden, wie das copd (Chronisch obstruktive Lungenerkrankung).

Diabetes Mellitus und Unterzucker
Diabetes Mellitus wird auch als Zuckerkrankheit bezeichnet. Es wird zwischen Typ I und II unterschieden. Typ I ist meist erblich bedingt, während Typ II auch durch falsche Ernährung verursacht werden kann. Bei starkem Diabetes Mellitus muss der Patient in regelmäßigen Abständen Insulin verwenden. Wird kein Insulin gespritzt, kann ein diabetisches Koma verursacht werden. Diabetes Mellitus wird durch zu wenig produziertes Insulin verursacht.
Unterzucker wird auch Hypoglykämie genannt. Bei starkem Unterzucker wird das Bewusstsein getrübt und es kann bis hin zum Koma führen. Schweißausbrüche sind die ersten Anzeichen für einen Unterzucker.

Eisenmangel und Vergiftungen
Ein Eisenmangel führt dazu, dass die Hämoglobinbildung gestört ist. Weltweit kommt ein Eisenmangel sehr häufig vor. Durch den Eisenmangel können eine Abwehrschwäche, Blutarmut und Müdigkeitserscheinungen auftreten. Konzentrationsschwäche und Ernährungsstörungen sind ebenfalls typische Erscheinungen bei Eisenmangel. Bei einer Eisenvergiftung treten Kreislaufkollaps, Nierenversagen, Leberversagen und eine schlechte Blutgerinnung auf.

Adipositas
Besitzt der Körper kein stimmiges Sättigungsgefühl, dann isst der Patient zu viel. Dies führt zu Übergewicht und schweren gesundheitlichen Problemen. Es tritt Adipositas als Erkrankung auf. Beim Abnehmen wird dem Körper weniger Energie zugeführt, als er benötigt. Die Folge ist, dass der Körper an Gewicht verliert. Nach der Diät tritt oft der Jo-Jo-Effekt auf, da der Körper nach der kalorienarmen Zeit versucht, wieder Fettpolster aufzubauen.

Unterkühlung
Bei einer Körpertemperatur von ca. 37 Grad Celsius funktionieren die biologischen Prozesse im Körper optimal. Schafft es der Körper selbst nicht mehr, seine Temperatur auf die optimale Gradzahl zu erhöhen, kann dies zu einem Lungenödem, Bewusstlosigkeit und Kreislaufstillstand führen. Herzrhythmusstörungen und Atemstillstand sind die Folge. Eine langfristige Unterkühlung führt also unweigerlich zum Tod.

Hirnhautentzündung
Hirnhautentzündung wird auch Enzephalitis genannt und kann entstehen, wenn die Blut-Hirn-Schranke nicht mehr vollständig intakt ist. Viren können bis zum Gehirn vordringen. Eine gestörte Blut-Hirn-Schranke kann eine Vielzahl von neurologischen Erkrankungen verursachen.

Fragen & Antworten zur Homöostase

Wird die Homöostase eines Systems gestört, kommt es dann zu bleibenden Schäden?

Die stark die Auswirkungen einer gestörten Homöostase ist, hänge von der Schwere und Dauer der Störung ab. Wird die Homöostase nur kurzzeitig gestört und der Gleichgewichtszustand wieder schnell hergestellt, können Folgeschäden vermieden werden. Je länger die Störung des Gleichgewichts anhält und je stärker die Störung ist, desto größer sind die Auswirkungen auf den menschlichen Körper.

Wie lange benötigt es, um die Homöostase eines Systems wiederherzustellen?
Das hängt von der Schwere der Störung ab. Weicht das System nur gering vom Gleichgewichtszustand ab und ist der Rückkopplungsprozess intakt, wird die Homöostase des Systems in wenigen Millisekunden wiederhergestellt. Bei stärkeren Abweichungen vom Normalzustand können mehrere Minuten erforderlich sein, bis der optimale Zustand wieder erreicht ist.

Wie viele Homöostasen gibt es im Körper?
Die meisten Prozesse im Körper beruhen auf Homöostasen. So werden viele wichtige Prozesse reguliert. Da im Körper sehr viele Prozesse ablaufen, kann die Anzahl der Homöostasen nicht genau bestimmt werden. Manche Homöostasen sind sehr kompliziert und daher schwer zu definieren und bestimmen. Dabei kann es durchaus sein, dass eine Homöostase von einer anderen Homöostase abhängig ist.

Unser Fazit zur Homöostase

Durch die Homöostase werden wichtige Vorgänge im Körper geregelt. Ohne die Homöostase könnte der menschliche Körper nicht überleben. Das System der Homöostase beruht auf wichtigen Rückkopplungsprozessen. Ist die Homöostase gestört, können schwerwiegende Erkrankungen im Körper verursacht werden. Sogar Tod kann die Folge sein.

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