Steuern, Regeln, Rückkoppeln


Im Fall einer Steuerung fließt die Information nur in einer Richtung und das Ausgangssignal beeinflusst das Eingangssignal nicht. Es gibt also keine Rückkopplung.
Im Gegensatz dazu fließt die Information bei einer Regelung vom Ausgang zum Eingang zurück. Hierbei spricht man von einer Rückkopplung.
Regelung setzt einen Kreislauf voraus, in welchem durch ein bestimmtes zwischengeschaltetes Element einen Istwert-Sollwertvergleich für die Regelgröße durchgeführt und somit der Zustand des Systems überprüft und gegebenenfalls verändert wird. Das Modell eines solchen Regelvorgangs nennt man einen "Regelkreis". Über die Art der Rückkopplung siehe unten.

Biologische Regelkreise nutzen Rezeptoren (technisch: Messfühler), um chemische oder physikalische Zustände (= Regelgrößen) zu erfassen.
Sie aktivieren Effektoren (Stellglieder), um diese Zustände im Körper zu ändern, wobei das Zentralnervensystem das Regelzentrum darstellt, welches neuronale und hormonale Befehle an die Effektoren mit den entsprechenden Rezeptoren sendet.
Effekte sind zum Beispiel Muskelaktivität, Sekretionsaktivität, Membranpermeabilität und Stoffwechselaktivität, mit denen der physikalische und chemische Zustand des Systems verändert wird.

Pfeildiagramm
Je nach Bedarf werden bei der Beschreibung biologischer Regelungsprozesse auch stark vereinfachte Schemata benutzt um zu komplexe Darstellungen von Wirkungsgefügen zu umgehen. Eine bekannte Form ist das nebenstehende Pfeildiagramm, welches einen simplen Zusammenhang zwischen zwei Faktoren der Thermoregulation darstellt.

Wir unterschieden Regelungen mit negativer und mit positiver Rückkopplung.

Regelkreise mit negativer Rückkopplung

haben selbstschwächende Eigenschaften, wenn sie aus einer Kette sich vermindernder Elemente bestehen. Das führt zu einer Verringerung bzw. einem Verschwinden der ursprünglichen Aktivität, die aber wieder ansteigt, sobald das Rückkopplungssignal abnimmt bzw. verschwindet.

Negative Rückkopplung ist immer dann wichtig, wenn es um Konstanthaltung eines Wertes oder Zustands geht, denn durch vorsichtige Dosierung des Rückkopplungssignals entsteht die selbstbegrenzende, regelnde Eigenschaft des Sytems: durch diese Rückkopplung können Abweichungen vom Sollwert minimiert werden. Der Sollwert wird also stabilisiert.

Regelkreise mit positiver Rückkopplung

haben selbstverstärkende Eigenschaften, wenn sie aus einer Kette sich verstärkender Elemente bestehen. Das bedeutet, dass die beteiligten Größen ständig zunehmen. Durch die Endlichkeit der Umwelt (Umgebung) können solche Wirkungskreisläufe nicht dauerhaft stabil sein.

Auch in der Biologie kann eine positive Rückkopplung eine destabilisierende Wirkung besitzen, und zwar im positiven oder negativen Sinne (z. B. kaskadenartige Verstärkung einer Hormonwirkung). Systeme mit positiver Rückkopplung findet man auch in der Verhaltensforschung: Eine Handlung (z.B. Lernen) bringt Erfolg und motiviert dadurch, noch mehr zu lernen (positiv = verstärkende Rückkopplung).
Aber auch das Gegenteil ist möglich, wie man am folgenden Beispiel sehen kann: zu wenig Lernen => Misserfolg => Kritik => Lernen mit erhöhter Unlust => weiterer Misserfolg.

Aufgabe: Suchen Sie weitere Beispiele für eine positive Rückkopplung in Biologie und Technik.

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