การควบคุมออสโมซิสและการขับถ่าย
สัตว์รักษาสมดุลของน้ำและเกลือในของเหลวในร่างกายให้คงที่ได้อย่างไรเมื่อเผชิญกับสภาพแวดล้อมที่แตกต่างกันมาก และกำจัดของเสียจากการเผาผลาญได้อย่างไร
Definition
การควบคุมออสโมซิสคือการรักษาระดับความเข้มข้นของออสโมซิสและไอออนในของเหลวในร่างกายของสัตว์ให้อยู่ในขีดจำกัดที่กำหนด และการขับถ่ายคือการกำจัดของเสียจากการเผาผลาญ โดยเฉพาะผลิตภัณฑ์ไนโตรเจนจากการสลายโปรตีนและกรดนิวคลีอิก ซึ่งมักจะดำเนินการโดยอวัยวะเดียวกันที่ควบคุมน้ำและเกลือ
Scope
สาขานี้ครอบคลุมการควบคุมสมดุลของน้ำและไอออน และการขับถ่ายของเสียในสัตว์: ความท้าทายทางออสโมซิสของน้ำจืด น้ำทะเล และบนบก; โครงสร้างและหน้าที่ของอวัยวะขับถ่ายตั้งแต่เนฟริเดียและท่อมาลพิเกียนไปจนถึงไตของสัตว์มีกระดูกสันหลัง; การผลิตของเสียไนโตรเจนและการแลกเปลี่ยนระหว่างแอมโมเนีย ยูเรีย และกรดยูริก; และกลไกของเซลล์ในการขนส่งไอออนและน้ำผ่านเยื่อบุผิว การครอบคลุมเป็นแบบเปรียบเทียบและกลไกมากกว่าทางคลินิก
Sub-topics
Core questions
- สัตว์เผชิญกับปัญหาออสโมซิสอะไรบ้างในน้ำจืด น้ำทะเล หรือบนบก และแก้ไขปัญหาเหล่านั้นได้อย่างไร
- อวัยวะขับถ่ายกรอง ดูดซับกลับ และหลั่งเพื่อสร้างปัสสาวะที่มีองค์ประกอบที่ถูกต้องได้อย่างไร
- ทำไมสัตว์จึงขับของเสียไนโตรเจนที่แตกต่างกัน และอะไรเป็นตัวกำหนดทางเลือกนั้น
- เยื่อบุผิวเคลื่อนย้ายไอออนและน้ำต้านความชันเพื่อควบคุมของเหลวในร่างกายได้อย่างไร
Key theories
- แบบจำลองการกรอง-การดูดซับกลับ-การหลั่งของการขับถ่าย
- อวัยวะขับถ่ายหลายชนิดจะผลิตสารกรองหรือปัสสาวะปฐมภูมิก่อน จากนั้นจึงปรับเปลี่ยนโดยการดูดซับสารที่มีประโยชน์กลับคืนอย่างเลือกสรร และหลั่งสารอื่น ๆ ออกไป เพื่อให้ของเหลวที่ถูกขับถ่ายขั้นสุดท้ายรักษาสมดุลของน้ำ ไอออน และของเสีย
- การเพิ่มความเข้มข้นแบบทวนกระแสในการสร้างปัสสาวะเข้มข้น
- ไตของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมทำให้ปัสสาวะเข้มข้นโดยใช้การจัดเรียงแบบทวนกระแสในห่วงเฮนเล ซึ่งจะเพิ่มความชันของไอออนที่ไม่มากนักให้กลายเป็นความชันของออสโมซิสที่สูงชัน ทำให้สามารถผลิตปัสสาวะที่เข้มข้นกว่าเลือดได้
Mechanisms
สัตว์เป็นสิ่งมีชีวิตที่ปรับตัวตามออสโมซิส (osmoconformers) หรือสิ่งมีชีวิตที่ควบคุมออสโมซิส (osmoregulators) สัตว์น้ำจืดเผชิญกับการไหลเข้าของน้ำและการสูญเสียเกลือ ดังนั้นพวกมันจึงขับปัสสาวะเจือจางและดูดซับไอออนอย่างกระตือรือร้น; สัตว์ทะเล เช่น ปลาที่มีกระดูกเผชิญกับการขาดน้ำและการสะสมเกลือ โดยการดื่มน้ำทะเลและขับเกลือผ่านเหงือกและลำไส้; สัตว์บกจะรักษาน้ำและผลิตปัสสาวะเข้มข้นหรือของเสียที่ละลายน้ำได้น้อย อวัยวะขับถ่ายโดยทั่วไปจะสร้างสารกรองปฐมภูมิหรือสารคัดหลั่งแล้วปรับปรุงให้ดีขึ้น: หน่วยไตของสัตว์มีกระดูกสันหลังจะกรองที่โกลเมอรูลัสและดูดซับและหลั่งตามท่อไต โดยมีห่วงเฮนเลและกลไกการเพิ่มความเข้มข้นแบบทวนกระแสที่ช่วยให้เกิดปัสสาวะเข้มข้น; ท่อมาลพิเกียนของแมลงจะหลั่งแล้วดูดซับกลับคืน พื้นฐานทั้งหมดนี้คือการขนส่งผ่านเยื่อบุผิว ซึ่งขับเคลื่อนโดยปั๊มที่ใช้ ATP และตัวขนส่งที่เชื่อมโยงกันซึ่งเคลื่อนย้ายไอออนและสร้างความชันของออสโมซิสที่น้ำจะตามมา รูปแบบของของเสียไนโตรเจน — แอมโมเนีย ยูเรีย หรือกรดยูริก — สะท้อนถึงความพร้อมของน้ำและต้นทุนของการล้างพิษ
Clinical relevance
งานวิจัยเปรียบเทียบในสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมในทะเลทราย สัตว์เลื้อยคลานในทะเล และปลาที่ทนต่อความเค็มได้หลากหลาย (euryhaline fish) เผยให้เห็นหลักการและข้อจำกัดของการควบคุมของเหลวและอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นพื้นฐานความเข้าใจการทำงานของไตและสมดุลของน้ำ บทความนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อการศึกษาและไม่ได้ให้คำแนะนำทางการแพทย์
History
การศึกษาการดูดซึมไอออนอย่างกระตือรือร้นในสัตว์น้ำจืดของ August Krogh และงานเปรียบเทียบเกี่ยวกับไตของสัตว์มีกระดูกสันหลังของ Homer Smith ได้ก่อตั้งการควบคุมออสโมซิสให้เป็นสาขาหนึ่ง และทฤษฎีการเพิ่มความเข้มข้นของปัสสาวะแบบทวนกระแสที่พัฒนาขึ้นในช่วงกลางศตวรรษที่ 20 ได้อธิบายว่าปัสสาวะเข้มข้นเกิดขึ้นได้อย่างไร การศึกษาของ Schmidt-Nielsen เกี่ยวกับสัตว์ทะเลทรายและสัตว์ทะเลแสดงให้เห็นถึงความหลากหลายของวิธีแก้ปัญหาในการรักษาสมดุลของน้ำและเกลือ
Key figures
- Knut Schmidt-Nielsen
- Homer Smith
- Werner Kuhn
- August Krogh
Related topics
Seminal works
- schmidtnielsen1997
- hill2016
- randall2002
Frequently asked questions
- ทำไมปลาในน้ำจืดและปลาทะเลจึงเผชิญกับปัญหาออสโมซิสที่ตรงกันข้ามกัน
- ปลาในน้ำจืดมีความเค็มมากกว่าสิ่งแวดล้อม ดังนั้นน้ำจึงไหลเข้าและเกลือรั่วออก; ปลาทะเลที่มีกระดูกมีความเค็มน้อยกว่าน้ำทะเล ดังนั้นพวกมันจึงสูญเสียน้ำและได้รับเกลือ และแต่ละชนิดจะควบคุมในทิศทางตรงกันข้าม
- ทำไมสัตว์บางชนิดจึงขับกรดยูริกแทนยูเรียหรือแอมโมเนีย
- กรดยูริกแทบไม่ละลายน้ำและสามารถขับออกได้โดยใช้น้ำเพียงเล็กน้อย ซึ่งช่วยรักษาน้ำสำหรับสัตว์ เช่น นก แมลง และสัตว์เลื้อยคลานที่อาศัยอยู่ในที่ที่น้ำหายาก หรือที่พัฒนาในไข่ปิด