Đây là bản xem thử. Phiên bản đầy đủ trong ứng dụng có bài tập, AI chấm ngay và theo dõi tiến độ học.
Bài học
Nguyên lí cân bằng nội môi và cơ chế liên hệ ngược
Mục tiêu bài học
Sau bài này, em trình bày được mô hình ba thành phần thụ thể – trung khu điều khiển – bộ phận đáp ứng của một vòng liên hệ ngược, phân biệt được liên hệ ngược âm và liên hệ ngược dương, và dựng được đầy đủ vòng liên hệ ngược điều hoà thân nhiệt.
Kiến thức nền cần nhớ
Hai bài trước, em đã thấy hai ví dụ cụ thể: ADH kéo áp suất thẩm thấu về mức chuẩn, aldosterone kéo thể tích máu về mức chuẩn (same-grade bridge). Bài này lùi lại một bước, gọi tên chính xác cấu trúc chung đứng sau cả hai ví dụ đó — và mọi cơ chế điều hoà khác trong cơ thể.
Khởi động
Một chiếc điều hoà nhiệt độ trong phòng tự động bật máy lạnh khi nhiệt độ phòng tăng quá mức cài đặt, rồi tự tắt khi nhiệt độ về lại mức đó. Cơ thể người cũng giữ thân nhiệt ổn định quanh 37°C theo một cách rất giống vậy, dù không có bộ điều khiển bằng nhựa và dây điện. Bằng cách nào một cơ thể sống làm được điều đó?
Kiến thức trọng tâm
Cân bằng nội môi (homeostasis) là khả năng duy trì các điều kiện bên trong cơ thể — áp suất thẩm thấu, pH máu, nồng độ glucose, thân nhiệt... — tương đối ổn định quanh một mức chuẩn, bất chấp môi trường bên ngoài hay hoạt động của cơ thể liên tục thay đổi. Tế bào chỉ hoạt động bình thường trong một khoảng điều kiện hẹp — enzyme chỉ xúc tác tốt ở một khoảng nhiệt độ và pH nhất định — nên nếu nội môi mất ổn định, hàng loạt phản ứng sinh hoá trong tế bào bị rối loạn.
Mọi cơ chế cân bằng nội môi, dù điều hoà thứ gì, đều vận hành qua ba thành phần giống nhau. Thụ thể (receptor) phát hiện sự thay đổi của môi trường trong hoặc ngoài cơ thể — đây chính là kích thích khởi động cả chuỗi phản ứng. Trung khu điều khiển (control centre) — thường là một vùng ở não hoặc một tuyến nội tiết — tiếp nhận tín hiệu từ thụ thể, so sánh với mức chuẩn, rồi phát tín hiệu điều khiển. Bộ phận đáp ứng (effector) — có thể là cơ, tuyến, hoặc cơ quan khác — thực hiện phản ứng thực tế làm thay đổi điều kiện đang bị lệch, kéo nó trở lại mức chuẩn.
Phần lớn cơ chế cân bằng nội môi vận hành theo liên hệ ngược âm: đáp ứng của bộ phận đáp ứng làm giảm bớt, thậm chí triệt tiêu, chính kích thích ban đầu — kéo biến số trở về mức chuẩn rồi dừng lại. ADH và aldosterone ở hai bài trước đều là liên hệ ngược âm. Liên hệ ngược dương hiếm gặp hơn nhiều: đáp ứng khuếch đại thêm kích thích ban đầu thay vì giảm bớt nó. Ví dụ rõ nhất là quá trình đông máu — khi mạch máu bị tổn thương, các yếu tố đông máu được hoạt hoá sẽ kích hoạt thêm nhiều yếu tố đông máu khác, phản ứng tự khuếch đại nhanh chóng cho tới khi cục máu đông hình thành đủ để bịt kín vết thương, lúc đó vòng khuếch đại mới dừng lại. Vì tự khuếch đại nên liên hệ ngược dương luôn cần một điểm dừng rõ ràng, nếu không sẽ gây mất kiểm soát.
Đây chính là khuôn chung của mọi vòng liên hệ ngược đã gặp ở hai bài trước: kích thích, thụ thể, trung khu, đáp ứng, trở về ổn định.Thân nhiệt lệch khỏi đường mức chuẩn nằm ngang rồi được kéo trở lại đúng đường đó — hình ảnh trực quan cho bản chất 'ngược' của liên hệ ngược âm. Đây là đường minh hoạ nguyên lí, không phải số liệu đo đạc từ một thí nghiệm cụ thể.Liên hệ ngược âm chiếm đa số cơ chế cân bằng nội môi vì mục tiêu là giữ ổn định; liên hệ ngược dương chỉ xuất hiện khi cơ thể cần một phản ứng nhanh, dứt khoát, có điểm dừng rõ ràng.
Ví dụ
Dựng vòng liên hệ ngược điều hoà thân nhiệt khi trời lạnh
1
Một người bước ra ngoài trời lạnh mà không mặc đủ ấm. Hãy trình bày đầy đủ vòng liên hệ ngược giúp cơ thể giữ thân nhiệt ổn định trong tình huống này, chỉ rõ cả ba thành phần.
2
Ta có nhiệt độ môi trường giảm làm thân nhiệt có xu hướng hạ xuống dưới mức chuẩn; thụ thể nhiệt ở da và vùng dưới đồi phát hiện sự thay đổi này. (1)
3
Tín hiệu từ thụ thể được truyền tới trung khu điều nhiệt ở vùng dưới đồi — nơi so sánh thân nhiệt hiện tại với mức chuẩn khoảng 37°C và phát tín hiệu điều khiển. (2)
4
Trung khu điều khiển gửi tín hiệu tới các bộ phận đáp ứng: mạch máu dưới da co lại để giảm mất nhiệt, cơ vân run để sinh thêm nhiệt, và chuyển hoá tăng lên để sinh nhiệt nội bào. (3)
5
Kết hợp (1), (2) và (3), các đáp ứng trên làm thân nhiệt tăng trở lại; khi thân nhiệt về gần mức chuẩn, tín hiệu kích thích từ thụ thể giảm dần, các đáp ứng cũng giảm theo — đúng đặc điểm của liên hệ ngược âm.
6
Vậy vòng liên hệ ngược điều hoà thân nhiệt khi trời lạnh gồm: thụ thể nhiệt phát hiện lạnh, trung khu ở vùng dưới đồi xử lí, và bộ phận đáp ứng (mạch máu, cơ, chuyển hoá) kéo thân nhiệt trở lại mức chuẩn.
Ví dụ
Xác định ba thành phần trong hai tình huống điều hoà khác (dạng đề kiểm tra)
1
Cho hai tình huống: (1) Khi huyết áp giảm đột ngột, thụ thể áp lực ở thành mạch máu lớn phát hiện, truyền tín hiệu tới trung khu ở hành tuỷ, khiến tim đập nhanh và mạnh hơn, mạch máu co lại, huyết áp tăng trở lại. (2) Khi nồng độ carbon dioxide trong máu tăng cao, thụ thể hoá học ở hành tuỷ phát hiện, kích thích trung khu hô hấp tăng tín hiệu, khiến cơ hô hấp co bóp nhanh và sâu hơn, đào thải bớt carbon dioxide. Hãy chỉ rõ thụ thể, trung khu điều khiển, và bộ phận đáp ứng trong mỗi tình huống.
2
Ta có ở tình huống (1), thụ thể là thụ thể áp lực ở thành mạch máu lớn, trung khu điều khiển là trung khu ở hành tuỷ, bộ phận đáp ứng là tim và mạch máu.
3
Ở tình huống (2), thụ thể là thụ thể hoá học ở hành tuỷ, trung khu điều khiển là trung khu hô hấp, bộ phận đáp ứng là cơ hô hấp.
4
Dù đối tượng điều hoà khác nhau — huyết áp và nồng độ carbon dioxide — cấu trúc ba thành phần và kiểu liên hệ ngược âm ở cả hai tình huống hoàn toàn giống nhau, đúng mô hình chung của cân bằng nội môi.
5
Vậy trong cả hai tình huống, thụ thể phát hiện sự lệch khỏi mức chuẩn, trung khu ở hành tuỷ xử lí tín hiệu, và bộ phận đáp ứng thực hiện phản ứng kéo biến số trở về mức chuẩn — đúng mô hình liên hệ ngược ba thành phần.
Sai lầm thường gặp
Một nhầm lẫn thường gặp là nghĩ 'trung khu điều khiển' luôn là não bộ. Thực ra tuỳ cơ chế, trung khu có thể là một vùng não (như vùng dưới đồi, hành tuỷ) hoặc một tuyến nội tiết hoạt động gần như độc lập. Một nhầm lẫn khác là cho rằng liên hệ ngược âm và liên hệ ngược dương phổ biến như nhau — thực ra tuyệt đại đa số cơ chế cân bằng nội môi là liên hệ ngược âm; liên hệ ngược dương chỉ xuất hiện ở một số ít quá trình cần khuếch đại nhanh và có điểm dừng rõ ràng.
Luyện tập có hướng dẫn
Luyện tập độc lập
Kiểm tra nhanh
Ghi nhớ
Ba thành phần: thụ thể phát hiện, trung khu điều khiển xử lí, bộ phận đáp ứng thực hiện. Liên hệ ngược âm (phổ biến) giảm bớt kích thích; liên hệ ngược dương (hiếm) khuếch đại kích thích và cần điểm dừng riêng.
Mô hình ba thành phần này áp dụng được cho bất kỳ biến số nào cơ thể cần giữ ổn định. Bài sau áp dụng đúng mô hình đó vào một biến số quen thuộc hơn: nồng độ glucose trong máu, và cả điều gì xảy ra khi cơ chế đó thất bại.
Cân bằng nội môi (homeostasis) là khả năng duy trì các điều kiện bên trong cơ thể — áp suất thẩm thấu, pH máu, nồng độ glucose, thân nhiệt... — tương đối ổn định quanh một mức chuẩn, bất chấp môi trường bên ngoài hay hoạt động của cơ thể liên tục thay đổi. Tế bào chỉ hoạt động bình thường trong một khoảng điều kiện hẹp — enzyme chỉ xúc tác tốt ở một khoảng nhiệt độ và pH nhất định — nên nếu nội môi mất ổn định, hàng loạt phản ứng sinh hoá trong tế bào bị rối loạn.
Mọi cơ chế cân bằng nội môi, dù điều hoà thứ gì, đều vận hành qua ba thành phần giống nhau. Thụ thể (receptor) phát hiện sự thay đổi của môi trường trong hoặc ngoài cơ thể — đây chính là kích thích khởi động cả chuỗi phản ứng. Trung khu điều khiển (control centre) — thường là một vùng ở não hoặc một tuyến nội tiết — tiếp nhận tín hiệu từ thụ thể, so sánh với mức chuẩn, rồi phát tín hiệu điều khiển. Bộ phận đáp ứng (effector) — có thể là cơ, tuyến, hoặc cơ quan khác — thực hiện phản ứng thực tế làm thay đổi điều kiện đang bị lệch, kéo nó trở lại mức chuẩn.
Phần lớn cơ chế cân bằng nội môi vận hành theo liên hệ ngược âm: đáp ứng của bộ phận đáp ứng làm giảm bớt, thậm chí triệt tiêu, chính kích thích ban đầu — kéo biến số trở về mức chuẩn rồi dừng lại. ADH và aldosterone ở hai bài trước đều là liên hệ ngược âm. Liên hệ ngược dương hiếm gặp hơn nhiều: đáp ứng khuếch đại thêm kích thích ban đầu thay vì giảm bớt nó. Ví dụ rõ nhất là quá trình đông máu — khi mạch máu bị tổn thương, các yếu tố đông máu được hoạt hoá sẽ kích hoạt thêm nhiều yếu tố đông máu khác, phản ứng tự khuếch đại nhanh chóng cho tới khi cục máu đông hình thành đủ để bịt kín vết thương, lúc đó vòng khuếch đại mới dừng lại. Vì tự khuếch đại nên liên hệ ngược dương luôn cần một điểm dừng rõ ràng, nếu không sẽ gây mất kiểm soát.
Cho hai tình huống: (1) Khi huyết áp giảm đột ngột, thụ thể áp lực ở thành mạch máu lớn phát hiện, truyền tín hiệu tới trung khu ở hành tuỷ, khiến tim đập nhanh và mạnh hơn, mạch máu co lại, huyết áp tăng trở lại. (2) Khi nồng độ carbon dioxide trong máu tăng cao, thụ thể hoá học ở hành tuỷ phát hiện, kích thích trung khu hô hấp tăng tín hiệu, khiến cơ hô hấp co bóp nhanh và sâu hơn, đào thải bớt carbon dioxide. Hãy chỉ rõ thụ thể, trung khu điều khiển, và bộ phận đáp ứng trong mỗi tình huống.
Một nhầm lẫn thường gặp là nghĩ 'trung khu điều khiển' luôn là não bộ. Thực ra tuỳ cơ chế, trung khu có thể là một vùng não (như vùng dưới đồi, hành tuỷ) hoặc một tuyến nội tiết hoạt động gần như độc lập. Một nhầm lẫn khác là cho rằng liên hệ ngược âm và liên hệ ngược dương phổ biến như nhau — thực ra tuyệt đại đa số cơ chế cân bằng nội môi là liên hệ ngược âm; liên hệ ngược dương chỉ xuất hiện ở một số ít quá trình cần khuếch đại nhanh và có điểm dừng rõ ràng.