Солёность внутреннего моря - ОРГАНИЗМЕННЫЕ РЕГУЛЯЦИИ

Постановка проблемы урока

Факт 1. Для нормальной работы клеток требуются строго определённые условия среды обитания - межклеточной жидкости.

Факт 2. Внешние воздействия и деятельность самих клеток нарушают среду их обитания: изменяют температуру, концентрацию газов, солей, питательных веществ, отходов.

• Сформулируйте главный вопрос урока. (Сравните с авторским вариантом на с. 349.)

Необходимые базовые знания

• Что такое гомеостаз? (8 класс)

• Как нарушение внутренней среды ограничивает нашу свободу? (8 класс)

• Каким образом организм человека избавляется от вредных продуктов обмена веществ? (8 класс)

• Каковы функции почек? (8 класс)

Решение проблемы

Постоянство внутренней среды

Сложные биохимические процессы, идущие в клетках, эффективны в узких рамках физико-химических условий — при определённой температуре, кислотно-щелочном равновесии, концентрации солей. У многоклеточных организмов появляется внутренняя среда - жидкости, которые принимают непосредственное участие в питании органов и тканей и обмене веществ с окружающей средой (рис. 12.1). Каждый организм вынужден решать задачу поддержания гомеостаза - сохранения постоянства внутренней среды. У всех организмов, от самых простых до самых сложных, существует огромное разнообразие механизмов, призванных обеспечить как можно более эффективное выполнение этой главной задачи. Эти механизмы действуют как буфер, ограждающий внутренние ткани от неожиданных и экстремальных воздействий внешней среды.

12.1. Схема внутренней среды организма.

• Какие жидкости служат посредниками между клеткой и внешней средой?

• Какими компонентами внутренняя среда обменивается с внешней через различные органы?

Всё в меру

Одно из важнейших условий жизни организмов — содержание в клетке строго определённого количества воды — не слишком большого, но и не слишком малого. Наряду с водой живые клетки нуждаются и в неорганических молекулах, особенно в ионах некоторых металлов, таких как Nа⁺ К⁺, Са²⁺, и неметаллов, например, Сl, выполняющих различные важные функции как во внутриклеточной, так и во внеклеточной жидкости. Кроме того, клеточная среда должна очищаться от токсинов, которые образуются в реакциях обмена веществ и выделяются клетками в межклеточное пространство. Учёные сравнили содержание воды, неорганических ионов и других веществ в клетках одинаковых тканей организмов, живущих в пустыне и в реке, в море и в болоте. Оказалось, что различий значительно меньше, чем в среде обитания этих организмов. Какие же механизмы позволяют сохранять столь удивительное постоянство?

• Сходен ли состав клеток различных тканей?

Почему важно, сколько воды снаружи

12.2. Схема простейшего механизма, который регулирует концентрацию веществ в растворе с помощью полупроницаемой мембраны. Разность концентраций совершает работу против сил равновесия в сообщающихся сосудах.

Вода и некоторые вещества за счёт диффузии легко проникают внутрь клетки, в то время как для многих других молекул мембрана непроницаема. Поэтому говорят о полупроницаемости клеточной мембраны (рис. 12.2). Если такая мембрана разделяет раствор и чистый растворитель, например, раствор сахара и воду, то количество молекул воды в растворе будет меньше, так как часть её молекул замещена на молекулы сахара. Молекулы воды за счёт диффузии будут двигаться через мембрану в обе стороны, но, поскольку в одной части сосуда их больше, а в другой - меньше, чаще будут наблюдаться их переходы из отдела, содержащего чистый растворитель, в раствор, чем в противоположном направлении. В результате объём раствора увеличивается, а его концентрация уменьшается, тогда как объём чистого растворителя сокращается. Это будет происходить до тех пор, пока давление жидкости, возникшее за счёт разности её уровней, не уравновесит давление растворителя. Такую диффузию растворителя через полупроницаемую мембрану называют осмосом. Для установления осмотического равновесия не обязательно, чтобы по обе стороны полупроницаемой мембраны были растворены одни и те же вещества.

12.3. Главная функция эритроцита - перенос кислорода.

• Скорость окисления гемоглобина и отдачи кислорода клеткам зависит от скорости диффузии кислорода через клеточную мембрану эритроцита. Почему дисковидный эритроцит осуществляет эту функцию лучше шарообразного?

“Надзор” за водой и солями

• Объясните, почему это происходит.

Организмы обитают и в морской, и в пресной воде (то есть в разных условиях солёности), и на суше, где воды может не хватать. Но во внутренней среде и внутри клеток соотношение солей и воды должно быть постоянным. Контроль за обменом солей и воды между межклеточной жидкостью и внешней средой называют осмотической регуляцией. Механизмы этого контроля чрезвычайно разнообразны. Действительно, для животных, обитающих в воде, главную опасность представляет неконтролируемое движение воды через покровы. Например, тонкий эпителий жабр у рыб и водных беспозвоночных или кожа амфибий чрезвычайно проницаемы для воды, причём у пресноводных животных она стремится проникнуть внутрь организма, а у морских выйти во внешнюю среду (рис. 12.4, 12.5). Наземным животным грозит высыхание, так как вода непрерывно испаряется через покровы и выделяется с дыханием.

12.4. Клетки различных тканей многоклеточных организмов не приспособлены к борьбе с изменениями среды. Они погибают и в чистой воде, и в концентрированном растворе соли.

12.5. Инфузория-туфелька, живущая в пресной воде, избавляется от её излишков с помощью сократительной вакуоли.

Разная среда обитания - разные механизмы

Для избавления от продуктов обмена в организме животных кровь проходит через почки. Поскольку соли выводятся из организма растворёнными в воде, у наземных животных фактически есть единственный путь их удаления — через почки в составе мочи. У пресмыкающихся, птиц, млекопитающих почки служат не только главным органом выделения, но и главным органом осмотической регуляции (рис. 12.6).

12.6. Схема регуляции водно-солевого обмена через почки у наземных позвоночных.

• Отрицательные или положительные обратные связи показаны на схеме?

У большинства позвоночных образование мочи происходит одинаково. Сначала образуется первичная моча, которая содержит, по существу, все мелкие молекулы и ионы, присутствующие в плазме крови. Состав первичной мочи затем сильно меняется в результате избирательной реабсорбции ионов и воды. Конечным продуктом деятельности почек является вторичная моча, объём и состав которой изменяются в зависимости от физиологического состояния организма. В норме в почках образуется большое количество разведённой мочи, но при недостатке воды в организме моча образуется очень концентрированная.

У водных животных почки играют главную роль в контроле количества воды и продуктов обмена в организме, а соли поглощаются или выводятся в водную среду через другие органы. У земноводных, рыб и водных беспозвоночных это жабры, наружные покровы тела и даже кишечник (рис. 12.7).

12.7. Органы солевыведения у морской рыбы - А и солепоглощения у пресноводной рыбы – Б.

• Почему морская рыба избавляется от соли, а пресноводная - от воды?

• Как водная среда влияет на выделение и поглощение солей у водных животных?

• Почему в воздушной среде водно-солевой обмен осуществляется в основном через почки?

Борьба с водой

Пресноводным рыбам не нужно пить воду, они вынуждены избавляться от её излишков с помощью почек. Однако с мочой выводится из организма не только много воды, но (несмотря на обратное всасывание) и некоторое количество солей. Поступающих с пищей солей недостаточно, поэтому необходим дополнительный механизм их возврата во внутреннюю среду. У костистых рыб большую роль в осмотической регуляции играет эпителий жабр. Его клетки активно (то есть с затратой энергии АТФ) поглощают некоторые соли из окружающей среды. У амфибий аналогичные по функции клетки содержатся в эпителии кожи.

Обезвоживание в море

Морские животные, так же, как и живущие на суше, могут сталкиваться с опасностью обезвоживания. В море концентрация солей в воде может быть выше, чем во внутренней среде организма. В таком случае вода из межклеточного пространства и клеток стремится выйти наружу. Но механизмы решения этой проблемы в водной среде совершенно иные, чем на суше. Один из способов отрегулировать концентрацию необходимых солей в цитоплазме клеток и межклеточной жидкости - изменить общую концентрацию всех растворённых веществ. У акул роль “наполнителя” играет мочевина, которая не выводится из организма, а задерживается в крови и тканях тела. В почечных канальцах даже есть отдел для обратного всасывания мочевины. Она повышает суммарную концентрацию растворённых веществ во внутренней среде, уравнивая её с внешней средой. При этом содержание солей по сравнению с морской водой не увеличивается и остаётся довольно низким.

Морские костистые рыбы “пьют” морскую воду, избыток солей отчасти задерживается в кишечнике и выводится наружу. Кроме того, клетки жаберного эпителия выделяют во внешнюю среду некоторые ионы (с затратой энергии АТФ). У некоторых костистых рыб, мигрирующих из солёной воды в пресную, при смене среды обитания эпителиальные клетки жабр меняют своё строение, и направление переноса ионов меняется на противоположное.

Морские птицы и рептилии вынуждены пить солёную воду. Почки не справляются с выделением такого большого количества солей во внешнюю среду. Поэтому соли выводятся солевыми железами, активно секретирующими их концентрированные растворы (рис. 12.8).

12.8. Морская игуана с солевой железой.

Обобщение новых знаний

Одно из важнейших условий жизнедеятельности клеток - постоянный состав внутриклеточной и внеклеточной среды. Для регуляции водно-солевого соотношения существует множество механизмов. Они зависят от среды обитания животного.

Внутренняя среда, гомеостаз, осмотическая регуляция

Применение знаний

1. Что такое осмотическая регуляция? Каковы её механизмы?

2. Почему в различных средах обитания необходимы различные механизмы осмотической регуляции?

3. Что определяет состав мочи человека?

4. Почему чайки могут пить морскую воду без вреда для себя, а человек - нет?

5. Каким образом работа почек связана с регуляцией артериального давления?

6. Почему клеткам жаберного эпителия костистых рыб приходится затрачивать энергию АТФ на транспорт ионов?

7. Поработайте в паре. Разберитесь с помощью схемы в механизме обратной связи в регуляции работы почки антидиуретическим гормоном (АДГ).