Cân bằng nước và muối trong các môi trường khác nhau

Cách động vật duy trì cân bằng thẩm thấu dù chúng sống trong nước ngọt (nơi nước tràn vào cơ thể), nước biển (nơi nước bị rút ra khỏi cơ thể), hay trên cạn (nơi nước khan hiếm).

Definition

Cân bằng nước và muối là sự điều chỉnh lượng nước và ion hòa tan mà động vật thu nhận và mất đi, sao cho nồng độ và thể tích dịch cơ thể của nó duy trì trong giới hạn cho phép, đạt được thông qua các phương tiện hành vi, cấu trúc và sinh lý phù hợp với môi trường sống của nó.

Scope

Chủ đề này bao gồm những thách thức về áp suất thẩm thấu của các môi trường sống khác nhau và các chiến lược động vật sử dụng để đối phó: sự phù hợp thẩm thấu so với điều hòa thẩm thấu, các vấn đề trái ngược của đời sống dưới nước ngọt, nước biển và trên cạn, việc sử dụng tuyến muối và bảo tồn nước bằng hành vi, và khả năng chịu đựng sự thay đổi độ mặn. Nó đề cập đến sự cân bằng giữa lượng nước và muối thu nhận và mất đi trên toàn bộ cơ thể động vật. Phạm vi bao phủ mang tính so sánh và cơ chế.

Core questions

• Tại sao động vật sống trong nước ngọt, nước biển và trên cạn lại đối mặt với các vấn đề thẩm thấu khác nhau?
• Sự khác biệt giữa loài phù hợp thẩm thấu và loài điều hòa thẩm thấu là gì?
• Chim biển, bò sát và cá biển đối phó với lượng muối dư thừa như thế nào?
• Động vật sa mạc và động vật trên cạn giảm thiểu mất nước bằng cách nào?

Key theories

Phù hợp thẩm thấu so với điều hòa thẩm thấu

Động vật hoặc để nồng độ dịch cơ thể của chúng theo dõi nồng độ của môi trường xung quanh (phù hợp thẩm thấu) hoặc chủ động giữ nó ở một giá trị cố định khác với môi trường (điều hòa thẩm thấu), với loài thứ hai có khả năng sống trong phạm vi độ mặn rộng hơn nhưng tốn nhiều năng lượng hơn.

Ngân sách nước và muối toàn cơ thể

Cân bằng đạt được bằng cách điều chỉnh tất cả các con đường thu nhận và mất đi — uống, thức ăn, nước trao đổi chất, bay hơi, bài tiết và vận chuyển ion — sao cho tổng lượng đầu vào bằng tổng lượng đầu ra đối với cả nước và mỗi ion chính.

Mechanisms

Trong môi trường nước ngọt, động vật ưu trương so với môi trường xung quanh, do đó nước đi vào theo cơ chế thẩm thấu và muối bị mất đi; chúng bài tiết một lượng lớn nước tiểu loãng và chủ động hấp thu ion qua mang hoặc da. Cá xương biển nhược trương so với nước biển, mất nước và thu nhận muối; chúng uống nước biển, hấp thu nước cùng với muối trong ruột, và bài tiết muối thừa qua các tế bào chloride ở mang, trong khi chim và bò sát biển sử dụng tuyến muối. Động vật không xương sống ở biển và cá mút đá phần lớn là những loài phù hợp thẩm thấu, và cá sụn nâng cao áp suất thẩm thấu nội bào bằng cách giữ lại urê. Động vật trên cạn bảo tồn nước bằng cách sản xuất nước tiểu cô đặc và phân khô, giảm mất nước do bay hơi qua các bề mặt không thấm nước và hành vi, và dựa vào nước trao đổi chất; một số động vật sa mạc sống sót mà không cần uống nước. Các loài euryhaline thay đổi hướng vận chuyển để xử lý một phạm vi độ mặn rộng.

Clinical relevance

Các nghiên cứu so sánh về các loài điều hòa thẩm thấu cực đoan làm sáng tỏ các nguyên tắc cân bằng nội môi dịch và điện giải cũng như các phản ứng với tình trạng mất nước và quá tải muối, những yếu tố cơ bản để hiểu về cân bằng nước. Mục này là tài liệu tham khảo giáo dục chứ không phải hướng dẫn y tế.

History

Các thí nghiệm của Krogh về sự hấp thu muối chủ động của động vật nước ngọt cho thấy điều hòa thẩm thấu là một quá trình chủ động, và các nghiên cứu so sánh về cá biển, tuyến muối và động vật có vú ở sa mạc của Schmidt-Nielsen và những người khác đã tiết lộ phạm vi các chiến lược mà động vật sử dụng để cân bằng nước và muối với môi trường của chúng.

Key figures

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

Seminal works

• schmidtnielsen1997
• hill2016
• randall2002

Frequently asked questions

Chim biển uống nước biển mà không bị mất nước bằng cách nào?

Chúng có các tuyến muối, thường gần mắt hoặc lỗ mũi, tiết ra dung dịch muối rất cô đặc, loại bỏ lượng muối dư thừa hấp thu cùng với nước biển và giúp chim duy trì cân bằng.

Một số động vật có thể sống ở sa mạc mà không cần uống nước không?

Có. Một số loài gặm nhấm sa mạc lấy đủ nước từ thức ăn và từ quá trình trao đổi chất, đồng thời giảm đáng kể lượng nước mất đi thông qua nước tiểu rất cô đặc, phân khô và hành vi tiết kiệm nước.