สมดุลของน้ำและเกลือในสภาพแวดล้อมที่แตกต่างกัน

สัตว์รักษาสมดุลออสโมติกได้อย่างไร ไม่ว่าจะอาศัยอยู่ในน้ำจืดที่ทำให้น้ำท่วมตัว น้ำทะเลที่ดึงน้ำออกจากตัว หรือบนบกที่น้ำมีค่า

Definition

สมดุลของน้ำและเกลือคือการที่สัตว์รักษาสมดุลระหว่างการได้รับและการสูญเสียน้ำและไอออนที่ละลายอยู่ เพื่อให้ความเข้มข้นและปริมาตรของของเหลวในร่างกายอยู่ในขีดจำกัดที่ยอมรับได้ ซึ่งทำได้โดยวิธีการทางพฤติกรรม โครงสร้าง และสรีรวิทยาที่เหมาะสมกับสภาพแวดล้อมของสัตว์นั้นๆ

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมความท้าทายด้านออสโมติกของแหล่งที่อยู่อาศัยที่แตกต่างกัน และกลยุทธ์ที่สัตว์ใช้ในการรับมือ ได้แก่ การปรับตัวตามความเข้มข้นของสารละลาย (osmoconformity) เทียบกับการควบคุมความเข้มข้นของสารละลาย (osmoregulation) ปัญหาที่แตกต่างกันของสิ่งมีชีวิตในน้ำจืด น้ำทะเล และบนบก การใช้ต่อมขับเกลือและการอนุรักษ์น้ำด้วยพฤติกรรม และความทนทานต่อการเปลี่ยนแปลงความเค็ม โดยจะกล่าวถึงสมดุลระหว่างการได้รับและการสูญเสียน้ำและเกลือทั่วทั้งตัวสัตว์ การครอบคลุมเนื้อหาเป็นการเปรียบเทียบและอธิบายกลไกการทำงาน

Core questions

• ทำไมสัตว์ในน้ำจืด น้ำทะเล และบนบกจึงเผชิญกับปัญหาออสโมติกที่แตกต่างกัน?
• ความแตกต่างระหว่างสัตว์ที่ปรับตัวตามความเข้มข้นของสารละลาย (osmoconformer) กับสัตว์ที่ควบคุมความเข้มข้นของสารละลาย (osmoregulator) คืออะไร?
• นกทะเล สัตว์เลื้อยคลาน และปลาทะเลรับมือกับเกลือส่วนเกินได้อย่างไร?
• สัตว์ทะเลทรายและสัตว์บกลดการสูญเสียน้ำได้อย่างไร?

Key theories

การปรับตัวตามความเข้มข้นของสารละลาย (Osmoconformity) เทียบกับการควบคุมความเข้มข้นของสารละลาย (Osmoregulation)

สัตว์จะปล่อยให้ความเข้มข้นของของเหลวในร่างกายเป็นไปตามความเข้มข้นของสิ่งแวดล้อม (osmoconformers) หรือควบคุมให้คงที่ในระดับที่แตกต่างจากสิ่งแวดล้อมอย่างกระตือรือร้น (osmoregulators) โดยกลุ่มหลังสามารถอาศัยอยู่ในช่วงความเค็มที่กว้างกว่าแต่ต้องใช้พลังงานสูงกว่า

งบประมาณน้ำและเกลือทั่วทั้งตัวสัตว์

สมดุลเกิดขึ้นได้โดยการปรับเส้นทางการได้รับและสูญเสียทั้งหมด — การดื่ม อาหาร น้ำที่เกิดจากกระบวนการเมแทบอลิซึม การระเหย การขับถ่าย และการขนส่งไอออน — เพื่อให้ปริมาณที่ได้รับทั้งหมดเท่ากับปริมาณที่สูญเสียไปสำหรับทั้งน้ำและไอออนหลักแต่ละชนิด

Mechanisms

ในน้ำจืด สัตว์มีความเข้มข้นของสารละลายในร่างกายสูงกว่าสิ่งแวดล้อม (hyperosmotic) ดังนั้นน้ำจึงเข้าสู่ร่างกายด้วยกระบวนการออสโมซิสและเกลือจะถูกขับออก สัตว์เหล่านี้จะขับปัสสาวะเจือจางปริมาณมากและดูดซับไอออนผ่านเหงือกหรือผิวหนังอย่างกระตือรือร้น ปลาทะเลกระดูกแข็งมีความเข้มข้นของสารละลายในร่างกายต่ำกว่าน้ำทะเล (hypoosmotic) ทำให้สูญเสียน้ำและได้รับเกลือ สัตว์เหล่านี้จะดื่มน้ำทะเล ดูดซับน้ำพร้อมกับเกลือในลำไส้ และขับเกลือส่วนเกินออกทางเซลล์คลอไรด์ในเหงือก ในขณะที่นกทะเลและสัตว์เลื้อยคลานทะเลใช้ต่อมขับเกลือ สัตว์ไม่มีกระดูกสันหลังในทะเลและปลาแฮกฟิชส่วนใหญ่จะปรับตัวตามความเข้มข้นของสารละลายในสิ่งแวดล้อม (osmoconformers) และปลาฉลามและปลากระเบน (elasmobranchs) จะเพิ่มความเข้มข้นของสารละลายภายในร่างกายด้วยการกักเก็บยูเรีย สัตว์บกจะรักษาน้ำโดยการผลิตปัสสาวะเข้มข้นและอุจจาระแห้ง ลดการสูญเสียน้ำจากการระเหยผ่านพื้นผิวที่ไม่ซึมผ่านและพฤติกรรม และพึ่งพาน้ำที่เกิดจากกระบวนการเมแทบอลิซึม สัตว์ทะเลทรายบางชนิดสามารถอยู่รอดได้โดยไม่ต้องดื่มน้ำเลย สัตว์ที่ทนต่อความเค็มได้กว้าง (euryhaline species) จะเปลี่ยนทิศทางการขนส่งเพื่อรับมือกับช่วงความเค็มที่กว้าง

Clinical relevance

การศึกษาเปรียบเทียบสัตว์ที่ควบคุมความเข้มข้นของสารละลายได้อย่างยอดเยี่ยมช่วยให้เข้าใจหลักการของสมดุลของของเหลวและอิเล็กโทรไลต์ และการตอบสนองต่อภาวะขาดน้ำและการได้รับเกลือ ซึ่งเป็นพื้นฐานความเข้าใจเกี่ยวกับสมดุลของน้ำ บทความนี้เป็นเอกสารอ้างอิงเพื่อการศึกษา ไม่ใช่คำแนะนำทางการแพทย์

History

การทดลองของ Krogh เกี่ยวกับการดูดซับเกลืออย่างกระตือรือร้นโดยสัตว์น้ำจืดแสดงให้เห็นว่าการควบคุมความเข้มข้นของสารละลายเป็นกระบวนการที่ต้องใช้พลังงาน และการศึกษาเปรียบเทียบปลาทะเล ต่อมขับเกลือ และสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมในทะเลทรายโดย Schmidt-Nielsen และคณะ ได้เปิดเผยกลยุทธ์ที่หลากหลายที่สัตว์ใช้ในการรักษาสมดุลของน้ำและเกลือกับสภาพแวดล้อมของพวกมัน

Key figures

• Knut Schmidt-Nielsen
• August Krogh
• Homer Smith
• James Gordon

Seminal works

• schmidtnielsen1997
• hill2016
• randall2002

Frequently asked questions

นกทะเลดื่มน้ำทะเลได้อย่างไรโดยไม่ขาดน้ำ?

พวกมันมีต่อมขับเกลือ ซึ่งมักจะอยู่ใกล้ดวงตาหรือรูจมูก ที่จะหลั่งสารละลายเกลือที่มีความเข้มข้นสูงมากออกมา เพื่อกำจัดเกลือส่วนเกินที่ได้รับจากการดื่มน้ำทะเล ทำให้นกอยู่ในภาวะสมดุล

สัตว์บางชนิดสามารถอาศัยอยู่ในทะเลทรายได้โดยไม่ต้องดื่มน้ำได้หรือไม่?

ได้ สัตว์ฟันแทะในทะเลทรายบางชนิดได้รับน้ำเพียงพอจากอาหารและจากกระบวนการเมแทบอลิซึม ในขณะที่ลดการสูญเสียน้ำลงอย่างมากผ่านปัสสาวะที่เข้มข้นมาก อุจจาระแห้ง และพฤติกรรมการประหยัดน้ำ