恒常性

生物学において、恒常性（ほおたたみ、英: homoeostasis ; / h ɒ m i oʊ ˈ s t eɪ s ɪ s , - m i ə -/ ）とは、生体システムが維持する内部の物理的および化学的条件が安定した状態である。^{[1]これは生物が最適に機能する状態であり、}体温や体液バランスなど多くの変数が、事前に設定された一定の制限（恒常性範囲）内に維持されることが含まれる。その他の変数には、細胞外液のpH 、ナトリウム、カリウム、カルシウムイオンの濃度、血糖値などがあり、環境、食事、活動レベルの変化にかかわらず、これらは調節される必要がある。これらの変数はそれぞれ、1つまたは複数の調節因子または恒常性維持機構によって制御され、それらが一体となって生命を維持している。

恒常性は、すでに最適な状態にあるときに、変化に対する自然な抵抗によってもたらされ、^[2]平衡は多くの調節機構によって維持され、すべての有機的な行動の中心的な動機であると考えられています。すべての恒常性制御機構には、調節される変数に対して少なくとも 3 つの相互依存コンポーネント、つまり受容体、制御センター、およびエフェクターがあります。^[3]受容体は、外部または内部の環境の変化を監視して応答する感知コンポーネントです。受容体には、温度受容体と機械受容体が含まれます。制御センターには、呼吸中枢とレニン-アンジオテンシン系が含まれます。エフェクターは、正常な状態に戻すために作用するターゲットです。細胞レベルでは、エフェクターには、遺伝子発現のアップレギュレーションまたはダウンレギュレーションを通じて変化をもたらし、負のフィードバックメカニズムで作用する核受容体が含まれます。その一例は、肝臓の胆汁酸の制御です。^[4]

レニン・アンジオテンシン系などの中枢は、複数の変数を制御します。受容体が刺激を感知すると、活動電位を制御中枢に送って反応します。制御中枢は、温度などの特定の変数の維持範囲（許容される上限と下限）を設定します。制御中枢は、適切な応答を決定し、効果器（1つまたは複数の筋肉、臓器、または腺）に信号を送信することで信号に応答します。信号が受信され、それに応じて行動すると、受容体に負のフィードバックが提供され、それ以上のシグナル伝達の必要性がなくなります。^[5]

シナプス前ニューロンに位置するカンナビノイド受容体1型（CB1）は、シナプス後ニューロンへのストレスの多い神経伝達物質の放出を止めることができる受容体です。CB1は、アナンダミド（N-アラキドノイルエタノールアミド、AEA）や2-アラキドノイルグリセロール（2-AG）などのエンドカンナビノイド（EC）によって、逆行性シグナル伝達プロセスを介して活性化されます。この逆行性シグナル伝達プロセスでは、これらの化合物がシナプス後ニューロンによって合成され、そこから放出され、シナプス前終末に戻ってCB1受容体に結合し、神経伝達物質の放出を調節して恒常性を維持します。^[6]

多価不飽和脂肪酸（PUFA）は、オメガ3（ドコサヘキサエン酸、DHA、エイコサペンタエン酸、EPA）またはオメガ6（アラキドン酸、ARA ）の脂質誘導体であり、膜リン脂質から合成され、エンドカンナビノイド（EC）の前駆体として使用され、体内の恒常性の微調整に大きな効果をもたらします。^[7]

ホメオスタシス（/ ˌ h oʊ m i oʊ ˈ s t eɪ s ɪ s / ^{[8] [9]}）という言葉は、ホメオとスタシスの結合形を使用しており、新ラテン語のギリシャ語：ὅμοιος homoios（「同様の」）とστάσις stasis（「静止している」）から来ており、「同じままである」という考えを生み出しています。

内部環境の調整という概念は、1849年にフランスの生理学者クロード・ベルナールによって説明され、ホメオスタシスという言葉は1926年にウォルター・ブラッドフォード・キャノンによって造語されました。 ^{[10] [11]} 1932年、英国の生理学者ジョセフ・バークロフトは、高次脳機能には最も安定した内部環境が必要であると初めて述べました。したがって、バークロフトにとって、ホメオスタシスは脳によって組織されるだけでなく、ホメオスタシスは脳に奉仕するものでもありました。^[12]ホメオスタシスは、バーナードとキャノンによって説明された、体の細胞が生き、生存する内部環境の恒常性に関する概念を指す、ほぼ独占的に生物学用語です。^{[10] [11] [13]}サイバネティクスという用語は、恒常性メカニズムとして機能するサーモスタットなどの技術的制御システムに適用されますが、多くの場合、生物学用語のホメオスタシスよりもはるかに広く定義されています。^{[5] [14] [15] [16]}

すべての生物の代謝プロセスは、非常に特殊な物理的および化学的環境でのみ発生します。条件は生物ごとに異なり、化学プロセスが細胞内で発生するか、細胞を浸す間質液で発生するかによって異なります。人間や他の哺乳類の最もよく知られている恒常性メカニズムは、特に温度、pH、浸透圧、およびナトリウム、カリウム、グルコース、二酸化炭素、酸素の濃度に関して、細胞外液（または「内部環境」）の組成を一定に保つ調節因子です。ただし、人間の生理学の多くの側面を網羅する他の多くの恒常性メカニズムが、体内の他の実体を制御しています。変数のレベルが必要なレベルよりも高いか低い場合、それぞれhyper-とhypo-という接頭辞が付けられることがよくあります。たとえば、高体温と低体温、高血圧と低血圧などです。^[要出典]

ある存在が恒常的に制御されているとしても、その値が健康時に必ずしも絶対的に安定しているということではありません。例えば、体温は、脳の視床下部などにある温度センサーによる恒常性維持機構によって調節されています。^[17]しかし、調節機構の設定点は定期的にリセットされます。 ^[18]例えば、人間の体温は一日を通して変化し（概日リズム）、夜間に最低温度となり、午後に最高温度となります。その他の正常な体温変動には、月経周期に関連するものがあります。^{[19] [20]}体温調節機構の設定点は、感染時にリセットされ、発熱を引き起こします。^{[17] [21] [22]生物は、}順応のプロセスによって、気温の変化や高地での酸素レベルなどのさまざまな条件にある程度適応することができます。

恒常性は、体内のすべての活動を支配しているわけではない。^{[23] [24]}例えば、センサーからエフェクターへの信号（ニューロン経由であろうとホルモン経由であろうと）は、センサーによって検出された誤差の方向と大きさに関する情報を伝達するために、必然的に非常に可変的である。 ^{[25] [26] [27]} 同様に、エフェクターの反応は、誤差を元に戻すために高度に調整可能である必要がある。実際、エフェクターの反応は、内部環境を脅かす誤差にほぼ比例する（ただし反対方向）必要がある。^{[15] [16]}例えば、哺乳類の動脈血圧は、内頸動脈の始まりにある大動脈弓と頸動脈洞の壁にある伸展受容器によって恒常的に制御され、測定される。^[17]センサーは、血圧が下がったか上がったか、またどの程度上がったかを示すメッセージを感覚神経経由で脳の延髄に送る。延髄はその後、自律神経系に属する運動神経または遠心神経に沿って、さまざまな効果器官にメッセージを分配し、その結果、効果器官の活動が変化して血圧の誤差が逆転します。効果器官の1つは心臓で、動脈血圧が低下すると心拍数が上昇（頻脈）し、設定値を超えると心拍数が低下（徐脈）します。 ^[17]したがって、心拍数（体内にセンサーはありません）は恒常的に制御されているのではなく、動脈血圧の誤差に対する効果器反応の1つです。もう1つの例は発汗率です。これは体温の恒常性制御における効果器の1つであり、したがって、体温を不安定にする恐れのある熱負荷にほぼ比例して大きく変化します。この熱負荷に対するセンサーは脳の視床下部にあります。 ^[要出典]

哺乳類は、視床下部、脳、^{[17] [28]}脊髄、内臓、大静脈にある温度受容器からの入力を利用して体温を調節する。 ^{[29] [30]体温の内部調節とは別に、}アロスタシスと呼ばれるプロセスが働いて、極端に暑いまたは寒いという課題（およびその他の課題）に適応するために行動を調整する。^[31]これらの調整には、日陰を探して活動を減らす、より暖かい条件を探して活動を増やす、または群がることが含まれる。^[32] 行動による体温調節は生理的な体温調節よりも優先される。必要な変更はより迅速に行われる可能性があり、生理的な体温調節は極端な温度に対応する能力が限られているためである。^[33]

体幹温度が下がると、強い血管収縮によって皮膚への血液供給が減少します。^[17]表面積の大きい四肢への血流も同様に減少し、動脈と並んで存在する深部静脈（venae comitantes を形成）を経由して体幹に戻ります。^{[28] [32] [34]}これは、動脈血の熱を体幹に戻る静脈血に直接短絡させる逆流交換システムとして機能し、寒い天候でも四肢からの熱損失を最小限に抑えます。 ^{[28] [32] [35]}四肢の皮下静脈はしっかりと収縮し、^[17]この源からの熱損失を減らすだけでなく、静脈血を四肢深部の逆流システムに押し込みます。

代謝率は、最初は非ふるえ熱産生によって上昇し、^[36]初期の反応が低体温を改善するのに不十分な場合は、続いてふるえ熱産生によって上昇します。

体温の上昇が温度受容器によって感知されると、皮膚の汗腺がコリン作動性 交感神経を介して刺激され、皮膚に汗を分泌する。汗が蒸発すると、皮膚と皮膚を流れる血液が冷却される。多くの脊椎動物では、あえぐことも別の効果で、喉と口の粘膜から水分が蒸発することで体を冷やす。^[37]

血糖値は、 かなり狭い範囲内で調節されている。 ^[38]哺乳類では、これを主に感知するのは膵島のβ細胞である。^{[39] [40]} β細胞は血糖値の上昇に反応してインスリンを血液中に分泌し、同時に隣接するα細胞がグルカゴンを血液中に分泌するのを阻害する。 ^[39]この組み合わせ（高血中インスリン値と低グルカゴン値）はエフェクター組織に作用し、その主なものは肝臓、脂肪細胞、筋細胞である。肝臓はグルコースの生成を阻害され、代わりにグルコースを取り込み、グリコーゲンとトリグリセリドに変換する。グリコーゲンは肝臓に蓄えられるが、トリグリセリドは超低密度リポタンパク質（VLDL）粒子として血液中に分泌され、脂肪組織に取り込まれ、そこで脂肪として蓄えられる。脂肪細胞は特殊なグルコーストランスポーター（ GLUT4 ）を介してグルコースを取り込み、細胞壁内のその数はこれらの細胞に作用するインスリンの直接的な影響として増加する。このようにして脂肪細胞に入ったグルコースはトリグリセリドに変換され（肝臓で使用されるのと同じ代謝経路を介して）、肝臓で生成されたVLDL由来のトリグリセリドとともに脂肪細胞に蓄えられる。筋肉細胞もインスリン感受性のGLUT4グルコースチャネルを介してグルコースを取り込み、筋肉グリコーゲンに変換する。^[41]

血糖値が下がるとインスリン分泌が止まり、アルファ細胞からグルカゴンが血液中に分泌される。これにより、肝臓、脂肪細胞、筋肉による血液からのグルコースの取り込みが阻害される。代わりに肝臓は強く刺激され、グリコーゲン（グリコーゲン分解による）と非炭水化物源（乳酸や脱アミノ化アミノ酸など）から糖新生と呼ばれるプロセスを使用してグルコースを製造する。^[42]このようにして生成されたグルコースは血液中に放出され、検出されたエラー（低血糖）を修正する。筋肉に蓄えられたグリコーゲンは筋肉内に留まり、運動中にのみグルコース-6-リン酸に分解され、さらにピルビン酸に分解されてクエン酸回路に供給されるか、乳酸に変換される。血液中に戻されるのは乳酸とクエン酸回路の老廃物だけである。肝臓は乳酸のみを取り込み、エネルギーを消費する糖新生のプロセスによって乳酸を再びブドウ糖に変換します。^{[引用が必要]}

体内の鉄分濃度をコントロールすることは、人間の健康と病気の多くの側面において極めて重要な部分です。人間にとって鉄分は体に必要であると同時に、潜在的に有害でもあります。^[43]

銅は、体内で複雑な恒常性維持プロセスに従って吸収、輸送、分配、貯蔵、排泄され、微量栄養素の一定かつ十分な供給を確保すると同時に過剰レベルを回避します。^[44]短期間に銅の摂取量が不十分な場合、肝臓の銅貯蔵量が枯渇します。この枯渇が続くと、銅欠乏症を発症する可能性があります。銅を過剰に摂取すると、過剰状態になる可能性があります。これらの欠乏と過剰の両方の状態は、組織の損傷や病気につながる可能性があります。しかし、恒常性調節により、人体は健康な個人のニーズに合わせて幅広い範囲の銅摂取量のバランスをとることができます。^[45]

銅の恒常性については、分子レベルで多くの側面が知られています。^[46]銅が不可欠なのは、銅の酸化状態が Cu ¹⁺ (第一銅) と Cu ²⁺ (第二銅) の間で変化するため、電子供与体または受容体として機能する能力があるためです。約 12 種類の銅酵素の成分として、銅はミトコンドリア呼吸、メラニンの合成、コラーゲンの架橋などの重要な代謝プロセスにおける重要な酸化還元反応に関与しています。^[47]銅は抗酸化酵素である銅亜鉛スーパーオキシドジスムターゼの不可欠な部分であり、鉄の恒常性においてセルロプラスミンの補因子として役割を果たしています。

酸素、二酸化炭素、血漿 pH のレベルの変化は、脳幹の呼吸中枢に送られ、そこで調整されます。動脈血中の酸素と二酸化炭素の分圧は、頸動脈と大動脈弓にある末梢化学受容器( PNS )によって監視されます。二酸化炭素の分圧の変化は、脳幹の延髄にある中枢化学受容器( CNS )によって、脳脊髄液の pH の変化として検出されます。これらのセンサー セットからの情報は呼吸中枢に送られ、効果器官 (横隔膜やその他の呼吸筋 )が活性化されます。血液中の二酸化炭素レベルが上昇したり、酸素レベルが低下したりすると、呼吸パターンが深くなり、呼吸数が増加して血液ガスが平衡状態に戻ります。

血液中の二酸化炭素が少なすぎる場合、また程度は低いものの酸素が多すぎる場合、一時的に呼吸が止まることがあります。これは無呼吸と呼ばれる状態ですが、フリーダイバーはこれを利用して水中に留まれる時間を延ばしています。

二酸化炭素分圧はpHのモニタリングにおいて決定的な要因である。^[48]しかし、高地（2500メートル以上）では酸素分圧のモニタリングが優先され、過換気によって酸素レベルが一定に保たれる。二酸化炭素レベルが低い場合、pHを7.4に保つために、腎臓は血液中に水素イオンを分泌し、尿中に重炭酸塩を排泄する。^{[49] [50]これは}高地への順応において重要である。^[51]

腎臓は動脈血中の酸素分圧ではなく酸素含有量を測定する。血液中の酸素含有量が慢性的に低い場合、酸素感受性細胞は血液中にエリスロポエチン（EPO）を分泌する。 ^[52]エフェクター組織は赤血球（RBC、別名赤血球）を生成する赤色骨髄である。RBCの増加は血液中のヘマトクリットの増加につながり、続いてヘモグロビンが増加して酸素運搬能力が増加する。これが、高地居住者が海抜ゼロの居住者よりもヘマトクリットが高いメカニズムであり、肺不全または心臓の右左シャント（静脈血が肺を迂回して直接全身循環に入る）を持つ人が同様にヘマトクリットが高い理由でもある。^{[53] [54]}

血液中の酸素分圧に関係なく、運搬できる酸素の量はヘモグロビン含有量に依存します。例えば貧血では酸素分圧は十分かもしれませんが、ヘモグロビン含有量が不足し、その結果酸素含有量も不足します。鉄、ビタミンB12、葉酸が十分に供給されれば、EPOは赤血球の生成を刺激し、ヘモグロビンと酸素含有量を正常に戻すことができます。^{[53] [55]}

脳は動脈の血管収縮と拡張によって、血圧値の範囲にわたって血流を調節することができます。 ^[56]

大動脈弓と頸動脈洞（内頸動脈の始まり）の壁にある圧受容器と呼ばれる高圧受容器が動脈血圧を監視します。^{[57]血圧の上昇は、}血液量の増加により動脈壁が伸展したときに検出されます。これにより、心筋細胞は心房性ナトリウム利尿ペプチド（ANP）というホルモンを血液中に分泌します。これは腎臓に作用してレニンとアルドステロンの分泌を抑制し、ナトリウムとそれに伴う水を尿中に放出し、血液量を減少させます。^[58] この情報は次に、求心性神経線維を介して延髄の孤立核に伝達されます。^[59]ここから自律神経系に属する運動神経が刺激され、主に心臓と細動脈と呼ばれる最小径の動脈の活動に影響を与えます。細動脈は動脈樹における主な抵抗血管であり、直径の小さな変化が細動脈を通る流れの抵抗に大きな変化をもたらします。動脈血圧が上昇すると、細動脈は拡張するように刺激され、血液が動脈から出やすくなり、それによって動脈が収縮し、血圧が正常に戻ります。同時に、心臓はコリン作動性副交感神経を介してよりゆっくりと鼓動するように刺激され（徐脈と呼ばれる）、動脈への血液の流入が確実に減少し、それによって圧力の低下が加わり、元の誤差が修正されます。

動脈内の低圧は、反対の反射として細動脈を収縮させ、心拍数を速めます (頻脈と呼ばれます)。血圧の低下が非常に急激または過剰である場合、延髄は「節前」交感神経を介して副腎髄質を刺激し、エピネフリン(アドレナリン) を血液中に分泌します。このホルモンは頻脈を増強し、体内の重要な臓器 (特に心臓、肺、脳) を除くすべての細動脈の重度の血管収縮を引き起こします。これらの反応は通常、低い動脈圧 (低血圧) を非常に効果的に修正します。

血漿中のイオン化カルシウム（Ca ²⁺）濃度は、一対の恒常性維持機構によって非常に厳密に制御されている。^[60]最初のセンサーは副甲状腺にあり、主細胞は膜内の特殊なカルシウム受容体によってCa ^{2+濃度を感知する。2つ目のセンサーは}甲状腺の傍濾胞細胞である。副甲状腺主細胞は、血漿中のイオン化カルシウム濃度の低下に応じて副甲状腺ホルモン（PTH）を分泌し、甲状腺の傍濾胞細胞は、血漿中のイオン化カルシウム濃度の上昇に応じてカルシトニンを分泌する。

最初の恒常性維持機構のエフェクター器官は、骨、腎臓、そして、血液中の副甲状腺ホルモン（PTH）の高レベルに反応して腎臓から血液中に放出されるホルモンを介して、十二指腸と空腸である。副甲状腺ホルモン（血液中の高濃度）は骨吸収を引き起こし、カルシウムを血漿中に放出する。これは非常に迅速な作用であり、数分以内に危険な低カルシウム血症を治すことができる。高PTH濃度は、尿を介してリン酸イオンの排泄を引き起こす。リン酸はカルシウムイオンと結合して不溶性塩を形成するため（骨ミネラルも参照）、血液中のリン酸レベルの低下により、遊離カルシウムイオンが血漿イオン化カルシウムプールに放出される。PTHは腎臓に対して2番目の作用を持つ。それは、腎臓によるカルシトリオールの製造と血液への放出を刺激する。このステロイドホルモンは、小腸上部の上皮細胞に作用し、腸の内容物から血液へのカルシウムの吸収能力を高める。^[61]

2番目の恒常性維持機構は甲状腺にセンサーを持ち、血液中のイオン化カルシウムが上昇するとカルシトニンを血液中に放出する。このホルモンは主に骨に作用し、血液からカルシウムを急速に除去し、不溶性の形で骨に沈着させる。^[62]

一方で PTH を介して、他方でカルシトニンを介して機能する 2 つの恒常性維持機構は、血液からカルシウムを除去して骨格に蓄積するか、または骨格からカルシウムを除去することによって、血漿イオン化カルシウム レベルの差し迫ったエラーを非常に迅速に修正できます。 骨は、血漿カルシウム貯蔵量 (約 180 mg) と比較して、非常に大きなカルシウム貯蔵量 (約 1 kg) として機能します。 より長期的な調整は、腸からのカルシウムの吸収または損失によって行われます。

もう一つの例は、アナンダミド（N-アラキドノイルエタノールアミド、AEA）や2-アラキドノイルグリセロール（2-AG）のような最もよく特徴付けられたエンドカンナビノイドであり、その合成は、細胞内カルシウム濃度の上昇に反応して活性化される一連の細胞内酵素の作用によって起こり、 CB1および/またはCB2および隣接する受容体の活性化によって細胞の成長と移動を防ぐ推定上の保護メカニズムを通じて恒常性と腫瘍の発生予防をもたらします。^[63]

血漿ナトリウム濃度を制御する恒常性維持機構は、このページで説明されている他のほとんどの恒常性維持機構よりもかなり複雑です。

このセンサーは腎臓の傍糸球体装置に位置しており、驚くほど間接的な方法で血漿ナトリウム濃度を感知します。傍糸球体細胞を流れる血液中のナトリウム濃度を直接測定する代わりに、これらの細胞は近位尿細管とヘンレ係蹄である程度の変化を経た腎尿細管液中のナトリウム濃度に反応します。^{[64]これらの細胞は傍糸球体装置を通過する血流速度にも反応し、通常の状況では}動脈血圧に正比例するため、この組織は補助的な動脈血圧センサーとなります。

血漿ナトリウム濃度の低下、または動脈血圧の低下に反応して、傍糸球体細胞はレニンを血液中に放出する。^{[64] [65] [66]レニンは、}アンジオテンシノーゲンと呼ばれる血漿α-2-グロブリンからデカペプチド（10個のアミノ酸からなる短いタンパク質鎖）を切断する酵素である。このデカペプチドはアンジオテンシンIとして知られている。^[64] これには生物学的活性がないことが知られている。しかし、血液が肺を循環するとき、アンジオテンシン変換酵素（ACE）と呼ばれる肺毛細血管内皮酵素がアンジオテンシンIからさらに2つのアミノ酸を切断して、アンジオテンシンIIとして知られるオクタペプチドを形成する。アンジオテンシンIIは副腎皮質に作用し、ステロイドホルモンであるアルドステロンを血液中に放出するホルモンである。アンジオテンシン II は細動脈壁の平滑筋にも作用し、これらの小径血管を収縮させ、動脈樹からの血液の流出を制限して、動脈血圧を上昇させます。したがって、これは、動脈血圧を変化、特に低血圧から守る、上記 (「動脈血圧」の見出しの下) の対策を強化します。

副腎の球状層から放出されるアンジオテンシン II 刺激アルドステロンは、特に腎臓の遠位尿細管および集合管の上皮細胞に影響を及ぼす。ここで、尿細管液からナトリウムイオンが再吸収され、血漿から尿細管液に分泌されたカリウムイオンが尿として体外に排出される。^{[64] [67]}尿細管液からのナトリウムイオンの再吸収により、体からのナトリウムイオンのさらなる損失が止まり、低ナトリウム血症の悪化が防止される。低ナトリウム血症は、食事で塩分を摂取することによってのみ改善できる。しかし、低ナトリウム血症によって「塩分不足」が引き起こされるのかどうか、またどのようなメカニズムでこれが起こるのかは不明である。

血漿ナトリウムイオン濃度が正常値より高い場合（高ナトリウム血症）、傍糸球体装置からのレニンの放出が停止し、アンジオテンシン II の生成が停止し、その結果として血液中へのアルドステロンの放出が停止します。腎臓はこれに反応して尿中にナトリウムイオンを排泄し、血漿ナトリウムイオン濃度を正常化します。血液中のアンジオテンシン II レベルが低いと、必然的に付随する反応として動脈血圧が低下します。

血液中のアルドステロン濃度が高いために尿細管液からナトリウムイオンが再吸収されても、それ自体では、腎尿細管水が遠位尿細管や集合管から血液に戻ることはありません。これは、ナトリウムがカリウムと交換に再吸収されるため、血液と尿細管液の間の浸透圧勾配にわずかな変化しか生じないからです。さらに、遠位尿細管と集合管の上皮は、血液中に抗利尿ホルモン(ADH) がない場合には水を通しません。ADH は体液バランスの調節に関与しています。血液中の ADH 濃度は、脳の視床下部で測定される血漿の浸透圧に応じて変化します。アルドステロンは尿細管に作用して、細胞外液(ECF) へのナトリウム損失を防ぎます。そのため、ECF の浸透圧は変化せず、したがって血漿の ADH 濃度も変化しません。しかし、アルドステロン値が低いと、ECF からナトリウムイオンが失われ、細胞外浸透圧が変化し、血液中の ADH 値が変化する可能性があります。

血漿中のカリウム濃度が高くなると、副腎皮質の外層にある球状層細胞膜の脱分極が起こります。^{[68]これにより、}アルドステロンが血液中に 放出されます。

アルドステロンは主に腎臓の遠位尿細管と集合管に作用し、カリウムイオンの尿中への排泄を刺激します。 ^[64]ただし、これは尿細管上皮細胞の基底外側 Na ⁺ /K ⁺ポンプを活性化することによって行われます。これらのナトリウム/カリウム交換器は、3 つのナトリウムイオンを細胞から間質液に、2 つのカリウムイオンを間質液から細胞に送り込みます。これによりイオン濃度勾配が形成され、尿細管液から血液へのナトリウム (Na ⁺ ) イオンの再吸収と、血液から尿 (集合管腔) へのカリウム (K ^{+ ) イオンの排出が起こります。 [69] [70]}

体内の水分の総量はバランスを保つ必要があります。体液バランスには、体液量を安定させ、細胞外液の電解質レベルを安定させることが含まれます。体液バランスは、浸透圧調節プロセスと行動によって維持されます。浸透圧は、視床下部の正中視索前核の浸透圧受容器によって検出されます。体内の水分含有量の指標となる血漿浸透圧の測定は、体から失われる水分（完全に防水性がなく常にわずかに湿っている皮膚からの避けられない水分損失、呼気中の水蒸気、発汗、嘔吐、通常の便、特に 下痢）がすべて低張性、つまり体液よりも塩分が少ないという事実に基づいています（たとえば、唾液と涙の味を比較してください。後者は細胞外液とほぼ同じ塩分を含みますが、前者は血漿に対して低張性です。唾液は塩辛い味がしませんが、涙は明らかに塩辛いです）。したがって、ほぼすべての正常および異常な体液損失は、細胞外液を高張性にします。逆に、水分を過剰に摂取すると細胞外液が希釈され、視床下部が低張性低ナトリウム血症の状態を示すようになります。

視床下部が高張性の細胞外環境を検知すると、バソプレシンと呼ばれる抗利尿ホルモン（ADH）の分泌を引き起こし、これが効果器官（この場合は腎臓）に作用します。バソプレシンは腎尿細管に作用して、遠位尿細管と集合管から水分を再吸収し、尿による水分喪失の悪化を防ぎます。同時に視床下部は近くの渇き中枢を刺激し、（高張性が重度であれば）水を飲みたいという抑えがたい衝動を引き起こします。尿の流れが止まることで血液量減少症と高張性が悪化するのを防ぎ、水を飲むことで欠陥を修正します。

低浸透圧により、血漿中の ADH レベルが非常に低くなります。その結果、腎臓の尿細管からの水分の再吸収が阻害され、非常に薄い尿が大量に排泄され、体内の余分な水分が除去されます。

体内の水分恒常性が正常である場合、尿による水分損失は代償的な水分損失であり、体内の水分過剰を補正します。しかし、腎臓は水を生成できないため、渇き反射は体内の水分恒常性の非常に重要な第 2 の効果メカニズムであり、体内の水分不足を 補正します。

血漿pH は、呼吸による二酸化炭素分圧の変化、または炭酸と重炭酸イオンの比率の代謝による変化によって変化することがあります。重炭酸緩衝システムは、炭酸と重炭酸イオンの比率が 1:20 になるように調節します。この比率のとき、血液 pH は 7.4 になります (ヘンダーソン - ハッセルバルヒの式で説明されているとおり)。血漿 pH が変化すると、酸塩基の不均衡が生じます。酸塩基の恒常性には、pH の調節を助ける 2 つのメカニズムがあります。呼吸中枢のメカニズムである呼吸補償は、呼吸の速度と深さを変えることで二酸化炭素分圧を調整し、pH を正常に戻します。二酸化炭素分圧によっても炭酸ガスの濃度が決まり、重炭酸緩衝システムも作用します。腎補償は、重炭酸緩衝システムを助けることができます。血漿重炭酸イオン濃度のセンサーは、はっきりとわかっていません。遠位尿細管の尿細管細胞自体が血漿の pH に敏感である可能性が非常に高い。^[要出典]これらの細胞の代謝によって二酸化炭素が生成され、炭酸脱水酵素の作用により急速に水素と重炭酸イオンに変換される。^[71] ECF の pH が下がると (酸性が強くなると)、尿細管細胞は水素イオンを尿細管液に排泄し、尿を介して体外に排出する。同時に重炭酸イオンが血液中に分泌され、炭酸を減少させ、結果として血漿 pH を上昇させる。^[71] 血漿 pH が正常値を超えて上昇すると、逆のことが起こり、重炭酸イオンが尿中に排泄され、水素イオンが血漿中に放出される。

水素イオンが尿に、重炭酸塩が血液に排出されると、血液は腎臓にこの作用を促した血漿中の過剰な水素イオンと結合します。その結果、血漿中で炭酸が形成され、血漿中の二酸化炭素分圧と平衡状態になります。これは、炭酸や重炭酸塩が過剰に蓄積しないように厳密に制御されています。したがって、全体的な影響として、血漿の pH が下がると水素イオンが尿中に失われます。同時に血漿中の重炭酸塩が上昇すると、増加した水素イオン (血漿 pH の低下による) が吸収され、結果として生じた過剰な炭酸塩は肺で二酸化炭素として排出されます。これにより、重炭酸塩と二酸化炭素分圧の比率が正常に戻り、血漿 pH も正常に戻ります。血漿 pH が高いと腎臓が刺激され、水素イオンが血液中に分泌され、重炭酸塩が尿中に排出されると、逆のことが起こります。水素イオンは血漿中の過剰な重炭酸イオンと結合して、再び過剰な炭酸を形成し、それが肺で二酸化炭素として吐き出され、血漿中の重炭酸イオン濃度、二酸化炭素分圧、そして血漿 pH が一定に保たれます。

脳脊髄液（CSF）は脳細胞間の物質の分配を調節する役割を果たしており、^[72]神経内分泌因子のわずかな変化が神経系に問題や損傷を引き起こす可能性があります。例えば、グリシン 濃度が高いと体温や血圧の調節が乱れ、脳脊髄液のpHが高いとめまいや失神を引き起こします。^[73]

中枢神経系の抑制ニューロンは、興奮と抑制の間の神経活動のバランスにおいて恒常性の役割を果たしている。抑制ニューロンはGABAを使用して、神経ネットワークに補償的な変化をもたらし、興奮の暴走レベルを防ぐ。^{[74]興奮と抑制の不均衡は、多くの}神経精神疾患に関係していると考えられている。^[75]

神経内分泌系は、視床下部が恒常性を維持し、代謝、生殖、飲食行動、エネルギー利用、浸透圧、血圧を 調節するメカニズムです。

代謝の調節は、視床下部と他の腺との相互接続によって行われます。^[76]視床下部-下垂体-性腺軸（HPG軸）の 3つの内分泌腺は、しばしば一緒に働き、重要な調節機能を持っています。他の2つの調節内分泌軸は、視床下部-下垂体-副腎軸（HPA軸）と視床下部-下垂体-甲状腺軸（HPT軸）です。

肝臓には代謝を調節する機能も数多くあります。重要な機能の一つは胆汁酸の生成と制御です。胆汁酸が多すぎると細胞に有毒となり、核受容体FXRの活性化によってその合成が阻害されることがあります。^[4]

細胞レベルでは、恒常性は、変化に応じて 遺伝子の活動を変えることができる転写調節を含むいくつかのメカニズムによって実行されます。

栄養を通して摂取するエネルギーの量は、消費するエネルギーの量と一致する必要があります。エネルギー恒常性を達成するために、食欲はグレリンとレプチンという2 つのホルモンによって調節されます。グレリンは空腹感と食物摂取を刺激し、レプチンは満腹感を伝える働きをします。

2019年に行われたダイエット、運動、過食などの体重変化介入に関する調査では、体重恒常性は短期的には「エネルギーエラー」、つまりカロリーの減少または増加を正確に修正できないことが判明しました。^[77]

多くの病気は恒常性の破綻の結果である。ほぼすべての恒常性構成要素は、遺伝的欠陥、先天性代謝異常、または後天性疾患の結果として機能不全になる可能性がある。一部の恒常性メカニズムには冗長性が組み込まれており、構成要素が機能不全になっても生命が直ちに脅かされることはないようにしているが、時には恒常性機能不全が重篤な疾患を引き起こすことがあり、治療しなければ致命的となる可能性がある。恒常性破綻のよく知られた例は、1 型糖尿病である。この場合、膵島のベータ細胞が破壊され、必要なインスリンを生成できないため、血糖調節が機能しない。血糖が上昇し、高血糖と呼ばれる状態になる。^[要出典]

副甲状腺腺腫による副甲状腺ホルモンの一定した過剰産生によって血漿イオン化カルシウムの恒常性が乱れ、副甲状腺機能亢進症の典型的な特徴、すなわち血漿イオン化Ca ²⁺レベルの上昇と骨吸収が起こり、自然骨折につながる可能性があります。異常に高い血漿イオン化カルシウム濃度は、多くの細胞表面タンパク質（特にイオンチャネルとホルモンまたは神経伝達物質受容体）の構造変化を引き起こします^[78]。無気力、筋力低下、食欲不振、便秘、不安定な感情を引き起こします。^[79]

体内の水分恒常性は、呼気、排泄物、不感蒸泄による通常の毎日の水分損失に対してもADHを分泌できないことで損なわれる可能性があります。血液中のADHがゼロの信号を受け取ると、腎臓は変化のない大量の非常に薄い尿を生成し、治療しないと脱水症状を引き起こし、死に至ります。

生物は加齢とともに制御システムの効率が低下します。この非効率性により徐々に体内環境が不安定になり、病気のリスクが高まり、老化に伴う身体的変化につながります。^[5]

さまざまな慢性疾患は恒常性補償によって制御されており、これは別の方法で問題を補償（埋め合わせ）することで問題を覆い隠すものです。しかし、補償メカニズムは最終的に消耗したり、新たな合併症（同時発生の急性ウイルス感染など）によって破壊されたりして、身体は新たな一連の出来事に巻き込まれます。このような代償不全により、根本的な疾患が明らかになり、症状が悪化します。一般的な例としては、代償不全心不全、腎不全、肝不全などがあります。^[要出典]

ガイア仮説において、ジェームズ・ラブロック^[80]は、地球（または生命のある惑星）上の全生物は、自らの生存に必要な環境条件を作り出すために惑星環境を積極的に変更する巨大な恒常性超生物として機能していると述べた。この見解では、惑星全体がいくつかの恒常性（主要なものは温度恒常性）を維持している。この種のシステムが地球上に存在するかどうかは議論の余地がある。しかし、比較的単純な恒常性メカニズムが一般的に受け入れられている。たとえば、大気中の二酸化炭素濃度が上昇すると、特定の植物がよりよく成長し、大気からより多くの二酸化炭素を除去する働きをする可能性があると主張されることがある。しかし、温暖化により干ばつが悪化し、陸上では水が実際の制限要因となっている。太陽光が豊富で大気温度が上昇すると、海洋表層の植物プランクトンが地球の太陽光、つまり熱センサーとして機能し、繁殖してジメチルスルフィド（DMS）をより多く生成する可能性があると主張されている。 DMS 分子は雲凝結核として働き、より多くの雲を生成して大気のアルベドを増加させ、これがフィードバックされて大気の温度を下げます。しかし、海水温の上昇により海洋は成層化し、暖かく日光に照らされた水と冷たく栄養豊富な水が分離しました。そのため、栄養分が制限要因となり、プランクトンのレベルは過去 50 年間で上昇するどころか、むしろ低下しています。科学者が地球についてさらに発見するにつれ、非常に幅広い環境条件の中で、時には非常に幅広い範囲にわたる準安定状態を維持する、膨大な数の正と負のフィードバック ループが発見されています。

予測的恒常性は、食事に反応して血液に入る腸ホルモンによるインスリン分泌の刺激など、将来予想される課題に対する先見的な反応です。^[39]このインスリン分泌は血糖値が上昇する前に起こり、腸での炭水化物の消化によって生じる大量のブドウ糖が血液に流入することを予測して血糖値を下げます。^[81]このような先見的な反応は、本質的に「推測」に基づくオープンループシステムであり、自己修正的ではありません。^[82]先見的な反応には、先見的なシステムが陥りやすい「オーバーシュート」と「アンダーシュート」を修正するためのクローズドループの負のフィードバックシステムが常に必要です。

この用語は他の分野でも使われるようになりました。例えば、

アクチュアリーはリスク恒常性について言及することがある。例えば、アンチロックブレーキを装備している人は、装備していない人よりも安全記録が優れているわけではない。なぜなら、前者は無意識のうちに、より安全な車両を安全性の低い運転習慣で補うからである。アンチロックブレーキの革新以前は、特定の操作には小さなスリップが伴い、恐怖と回避を引き起こした。現在では、アンチロックシステムはそのようなフィードバックの境界を動かし、行動パターンはもはや懲罰的ではない領域にまで拡大している。また、生態学的危機は、特定の行動が証明された危険または劇的な結果が実際に発生するまで続くリスク恒常性の実例であると示唆されている。^{[83] [自費出版ソース? ]}

社会学者や心理学者は、ストレス恒常性、つまり集団または個人が一定のストレスレベルに留まろうとする傾向を指し、ストレスの「自然な」レベルが十分でない場合は人工的なストレスを生み出すことが多い。^{[84] [自費出版のソース? ]}

ポストモダン理論家のジャン＝フランソワ・リオタールは、著書『ポストモダンの条件』の中で、社会の「権力中枢」を「恒常性の原理によって支配されている」ものとして描写しており、例えば科学界のヒエラルキーは、それまで受け入れられていた規範を不安定にする可能性があるため、時には急進的な新発見を何年も無視することがある、と述べている。

よく知られている技術的な恒常性維持メカニズムには以下のものがあります。

• サーモスタットは、温度センサーの出力に応じてヒーターやエアコンのオン/オフを切り替えることで動作します。
• クルーズコントロールは速度の変化に応じて車のスロットルを調整します。^{[85] [86]}
• 自動操縦装置は、事前に設定されたコンパス方位や航路からの逸脱に応じて、航空機や船舶の操舵制御を操作します。^[87]
• 化学工場や石油精製所のプロセス制御システムは、ヒーター、ポンプ、バルブを制御することで、流体のレベル、圧力、温度、化学組成などを維持します。^[88]
• 1788年にジェームズ・ワットが設計した蒸気機関の遠心調速機は、エンジン速度の上昇に応じてスロットルバルブを下げ、速度が事前に設定された速度を下回るとバルブを開きます。^{[89] [90]}

主権、行動規範、宗教的・文化的慣習、および社会におけるその他の動的プロセスの活用は、生活を規則正しくし、全体の安全を内部および外部の不均衡や危険から守る全体的な均衡を維持する、進化した恒常性システムの一部であると言える。^{[91] [92]}健全な市民文化は、個人の権利の尊重と公共の利益への配慮との間の緊張、 ^[93]または政府の有効性と市民の利益への対応との間の緊張など、複数の矛盾する関心事の間で最適な恒常性バランスを達成していると言える。  ^{[94] [95]}

• Clausen, MJ; Poulsen, H. (2013)。「細胞内のナトリウム/カリウム恒常性」。Banci, Lucia (編)。メタロミクスと細胞。生命科学における金属イオン。第 12 巻。Springer。pp. 41–67。doi : 10.1007/ 978-94-007-5561-1_3。ISBN 978-94-007-5560-4. PMID  23595670。電子書籍ISBN 978-94-007-5561-1 ISSN  1559-0836 電子版ISSN  1868-0402 

• ホメオスタシス 2017年8月15日アーカイブウェイバックマシン
• ウォルター・ブラッドフォード・キャノン『ホメオスタシス』（1932年）