16.1: Гомеостаз і осморегуляція

Гомеостаз відноситься до відносно стабільного стану всередині організму тварини. Органи тварин і системи органів постійно підлаштовуються під внутрішні і зовнішні зміни, щоб підтримувати це стійкий стан. Прикладами внутрішніх умов, підтримуваних гомеостатично, є рівень глюкози в крові, температура тіла, рівень кальцію в крові. Ці умови залишаються стабільними через фізіологічні процеси, які призводять до негативних зв'язків зворотного зв'язку. Якщо в крові підвищується рівень глюкози або кальцію, це посилає сигнал органам, відповідальним за зниження рівня глюкози в крові або кальцію. Сигнали, що відновлюють нормальні рівні, є прикладами негативного зворотного зв'язку. Коли гомеостатические механізми виходять з ладу, результати можуть бути несприятливими для тварини. Гомеостатичні механізми утримують організм в динамічній рівновазі, постійно підлаштовуючись під зміни, з якими стикаються системи організму. Навіть тварина, яка, мабуть, неактивна, підтримує цю гомеостатичну рівновагу. Два приклади факторів, які регулюються гомеостатично, - це температура та вміст води. Процеси, що підтримують гомеостаз цих двох факторів, називаються терморегуляцією і осморегуляцією.

гомеостаз

Метою гомеостазу є підтримання рівноваги навколо певного значення якогось аспекту тіла або його клітин, званих заданою точкою. Хоча є нормальні коливання від заданої точки, системи організму зазвичай намагаються повернутися до цієї точки. Зміна внутрішнього або зовнішнього середовища називається стимулом і виявляється рецептором; реакція системи полягає в коригуванні діяльності системи, щоб значення рухалося назад до заданої точки. Наприклад, якщо тіло стає занадто теплим, вносяться корективи, щоб охолодити тварину. Якщо рівень глюкози в крові підвищується після їжі, вводяться корективи для їх зниження і потрапляння поживної речовини в тканини, які цього потребують, або для зберігання для подальшого використання.

Коли відбувається зміна середовища тварини, необхідно провести коригування, щоб внутрішнє середовище організму та клітин залишалося стабільним. Рецептор, який відчуває зміни в навколишньому середовищі, є частиною механізму зворотного зв'язку. Стимулятор - температура, рівень глюкози або кальцію - виявляється рецептором. Рецептор надсилає інформацію до центру управління, часто мозку, який передає відповідні сигнали ефекторному органу, який здатний викликати відповідні зміни, вгору або вниз, залежно від інформації, яку надсилав датчик.

Терморегуляція

Тварин можна розділити на дві групи: ті, які підтримують постійну температуру тіла в умовах різної температури навколишнього середовища, і ті, які мають температуру тіла, таку ж, як і навколишнє середовище, і, таким чином, змінюється залежно від температури навколишнього середовища. Тварин, які не мають внутрішнього контролю температури тіла, називають ектотермами. Температура тіла цих організмів, як правило, схожа на температуру навколишнього середовища, хоча окремі організми можуть робити речі, які тримають своє тіло трохи нижче або вище температури навколишнього середовища. Сюди можна віднести закопування під землею в жаркий день або відпочинок на сонячному світлі в холодний день. Ектотерми називали холоднокровними, терміном, який може не поширюватися на тварину в пустелі з дуже теплою температурою тіла.

Тварина, яка підтримує постійну температуру тіла в умовах змін навколишнього середовища, називається ендотермом. Ці тварини здатні підтримувати рівень активності, який ектотермічна тварина не може, оскільки вони генерують внутрішнє тепло, яке підтримує їх клітинні процеси оптимально, навіть коли навколишнє середовище холодне.

ПОНЯТТЯ В ДІЇ

Перегляньте це відео Discovery Channel про терморегуляцію, щоб побачити ілюстрації процесу у різних тварин.

Тварини зберігають або розсіюють тепло різними способами. Ендотермічні тварини мають деяку форму ізоляції. Вони мають хутро, жир або пір'я. Тварини з густим хутром або пір'ям створюють ізолюючий шар повітря між шкірою і внутрішніми органами. Білі ведмеді та тюлені живуть і плавають у замерзаючому середовищі і при цьому підтримують постійну, теплу температуру тіла. Наприклад, песця використовує свій пухнастий хвіст як додаткову ізоляцію, коли згортається до сну в холодну погоду. Ссавці можуть збільшити вироблення тепла тіла, тремтячи, що є мимовільним збільшенням м'язової активності. Крім того, м'язи arrectorpili можуть скорочуватися, змушуючи окремі волоски встати, коли людині холодно. Це збільшує ізолюючий ефект волосся. Люди зберігають цю реакцію, яка не має передбачуваного впливу на наші відносно безволосі тіла; натомість вона спричиняє «мурашки». Ссавці також використовують шари жиру як ізоляцію. Втрата значної кількості жиру в організмі поставить під загрозу здатність людини зберігати тепло.

Ектотерми та ендотерми використовують свою кровоносну систему, щоб допомогти підтримувати температуру тіла. Вазодилатація, відкриття артерій до шкіри шляхом розслаблення їх гладкої мускулатури, приносить більше крові та тепла на поверхню тіла, полегшуючи радіаційні та випарні втрати тепла, охолоджуючи організм. Вазоконстрикція, звуження кровоносних судин до шкіри скороченням їх гладкої мускулатури, зменшує кровотік в периферичних кровоносних судинях, змушуючи кров до основних і життєво важливих органів, зберігаючи тепло. Деякі тварини мають пристосування до своєї кровоносної системи, які дозволяють їм передавати тепло від артерій до вен, які течуть поруч один з одним, зігріваючи кров, що повертається до серця. Це називається протитечійним теплообміном, він перешкоджає холодній венозній крові охолоджувати серце та інші внутрішні органи. Пристосування протитечії зустрічається у дельфінів, акул, костистих риб, бджіл, колібрі.

Деякі ектотермічні тварини використовують зміни у своїй поведінці, щоб допомогти регулювати температуру тіла. Вони просто шукають прохолодніші райони під час найспекотнішої частини дня в пустелі, щоб не надто тепло. Ті ж тварини можуть піднятися на скелі ввечері, щоб захопити тепло в холодну пустельну ніч перед входом у свої нори.

Терморегуляція координується нервовою системою (рис. \(\PageIndex{1}\)). Процеси контролю температури зосереджені в гіпоталамусі просунутого мозку тварин. Гіпоталамус підтримує задану точку для температури тіла за допомогою рефлексів, які викликають вазодилатацію або вазоконстрикцію і тремтіння або потовиділення. Симпатична нервова система під контролем гіпоталамуса направляє відповіді, які впливають на зміни втрати температури або посилення, які повертають тіло до заданої точки. Уставна точка може бути скоригована в деяких випадках. Під час інфекції утворюються сполуки, звані пірогенами, і циркулюють до гіпоталамуса, що скидає термостат до більш високого значення. Це дозволяє підвищенню температури тіла до нової гомеостатичної точки рівноваги в тому, що зазвичай називають лихоманкою. Збільшення тепла тіла робить організм менш оптимальним для росту бактерій і збільшує активність клітин, щоб вони краще могли боротися з інфекцією.

АРТ КОНК

Малюнок \(\PageIndex{1}\): Організм здатний регулювати температуру у відповідь на сигнали нервової системи.

Коли бактерії руйнуються лейкоцитами, пірогени викидаються в кров. Пірогени скидають термостат організму до більш високої температури, що призводить до лихоманки. Як пірогени можуть викликати підвищення температури тіла?

осморегуляція

Осморегуляція - це процес підтримки сольового та водного балансу (осмотичного балансу) через мембрани всередині організму. Рідини всередині та навколишні клітини складаються з води, електролітів та неелектролітів. Електроліт - це з'єднання, яке дисоціює на іони при розчиненні у воді. А неелектроліт, навпаки, не дисоціює на іони у воді. Рідини організму включають плазму крові, рідину, яка існує всередині клітин, і інтерстиціальну рідину, яка існує в просторах між клітинами і тканинами організму. Мембрани організму (як мембрани навколо клітин, так і «мембрани», виготовлені з клітин, що вистилають порожнини тіла) є напівпроникними мембранами. Напівпроникні мембрани проникні для певних типів розчинених речовин і води, але, як правило, клітинні мембрани непроникні для розчинених речовин.

Організм не існує ізольовано. Відбувається постійне введення води і електролітів в систему. Надлишок води, електролітів і відходів транспортується до нирок і виводиться з організму, допомагаючи підтримувати осмотичний баланс. Недостатнє споживання рідини призводить до збереження рідини нирками. Біологічні системи постійно взаємодіють і обмінюються водою і поживними речовинами з навколишнім середовищем шляхом споживання їжі і води і шляхом виділення у вигляді поту, сечі, калу. Без механізму регулювання осмотичного тиску або коли хвороба пошкоджує цей механізм, існує тенденція до накопичення токсичних відходів та води, що може мати жахливі наслідки.

Системи ссавців еволюціонували, щоб регулювати не тільки загальний осмотичний тиск на мембранах, але й конкретні концентрації важливих електролітів у трьох основних відділеннях рідини: плазмі крові, інтерстиціальній рідині та внутрішньоклітинній рідині. Оскільки осмотичний тиск регулюється рухом води по мембранах, обсяг відділень рідини також може змінюватися тимчасово. Оскільки плазма крові є одним з компонентів рідини, осмотичний тиск має пряме відношення до артеріального тиску.

видільна система

Видільна система людини функціонує для виведення відходів з організму через шкіру у вигляді поту, легенів у вигляді вуглекислого газу, що видихається, і через сечовидільну систему у вигляді сечі. Всі три з цих систем беруть участь в осморегуляції і вивезенні відходів. Тут мова йде про сечовидільної системі, яка складається з парних нирок, сечоводу, сечового міхура і уретри (рис. \(\PageIndex{2}\)). Нирки - це пара бобовидних структур, які розташовані трохи нижче печінки в порожнині тіла. Кожна з нирок містить понад мільйон крихітних одиниць, які називаються нефронами, які фільтрують кров, що містить метаболічні відходи з клітин. Вся кров в організмі людини фільтрується близько 60 разів на добу нирками. Нефрони видаляють відходи, концентрують їх і утворюють сечу, яка збирається в сечовому міхурі.

Внутрішньо нирка має три області - зовнішню кору, мозковий мозок посередині та ниркову миску, яка є розширеним кінцем сечоводу. Кора нирок містить нефрони - функціональну одиницю нирки. Ниркова балія збирає сечу і веде в сечоводна зовнішній стороні нирки. Сечоводи - це сечовідні труби, які виходять з нирки і спорожняються в сечовий міхур.

Малюнок \(\PageIndex{2}\): Видільна система людини складається з нирок, сечоводу, сечового міхура та уретри. Нирки фільтрують кров і утворюють сечу, яка зберігається в сечовому міхурі до її виведення через уретру. Справа показано внутрішню будову нирки. (кредит: модифікація роботи NCI, NIH)

Кров надходить в кожну нирку з аорти, основної артерії, що постачає тіло нижче серця, через ниркову артерію. Він розподіляється по більш дрібних судинам, поки не досягне кожного нефрона в капілярах. Всередині нефрона кров контактує з канальцями, що збирають відходи, у структурі, званій клубочком. Вода і багато розчинених речовин, присутніх в крові, включаючи іони натрію, кальцію, магнію та інших; а також відходи і цінні речовини, такі як амінокислоти, глюкоза і вітаміни, виходять з крові і потрапляють в канальцеву систему нефрона. Оскільки матеріали проходять через канальці, значна частина води, необхідні іони та корисні сполуки реабсорбуються назад у капіляри, які оточують канальці, залишаючи відходи позаду. Частина цієї реабсорбції вимагає активного транспорту і споживає АТФ. Деякі відходи, включаючи іони та деякі препарати, що залишаються в крові, дифундують з капілярів у інтерстиціальну рідину і забираються клітинами канальців. Ці відходи потім активно виділяються в канальці. Потім кров збирається у більші та більші судини і залишає нирку в нирковій вені. Ниркова вена приєднується до нижньої порожнистої вени - основної вени, яка повертає кров до серця з нижньої частини тіла. Кількість води та іонів, що реабсорбуються в кровоносну систему, ретельно регулюються, і це важливий спосіб, яким організм регулює вміст води та рівень іонів. Відходи збираються у більші канальці, а потім залишають нирку в сечоводі, що призводить до сечового міхура, де зберігається сеча, поєднання відходів та води.

Сечовий міхур містить сенсорні нерви, рецептори розтягування, які сигналізують, коли його потрібно спорожнити. Ці сигнали створюють позиви до сечовипускання, які можна добровільно придушити до межі. Свідоме рішення про сечовипускання встановлює ігрові сигнали, які відкривають сфінктери, кільця гладкої мускулатури, які закривають отвір, до уретри, що дозволяє сечі витікати з сечового міхура та тіла.

Кар'єра в дії: Діаліз технік

Діаліз - це медичний процес видалення відходів та зайвої води з крові шляхом дифузії та ультрафільтрації. Коли функція нирок не вдається, необхідно проводити діаліз, щоб штучно позбавити організм від відходів та рідини. Це життєво важливий процес, щоб зберегти пацієнтів живими. У деяких випадках пацієнти проходять штучний діаліз, поки вони не отримають право на трансплантацію нирки. У інших, хто не є кандидатами на трансплантацію нирок, діаліз є довічною необхідністю.

Техніки діалізу зазвичай працюють у лікарнях та клініках. Хоча деякі ролі в цій галузі включають розробку та обслуговування обладнання, більшість техніків діалізу працюють у безпосередньому догляді за пацієнтами. Їх обов'язки на роботі, які, як правило, відбуваються під безпосереднім наглядом зареєстрованої медсестри, зосереджені на наданні лікування діалізом. Це може включати перегляд анамнезу пацієнта та поточного стану, оцінку та реагування на потреби пацієнта до та під час лікування, а також моніторинг процесу діалізу. Лікування може включати прийом та повідомлення про життєві показники пацієнта, підготовку розчинів та обладнання для забезпечення точних та стерильних процедур.

Підсумок розділу

Гомеостаз - це динамічна рівновага, яка підтримується в тканинах і органах організму. Він динамічний, оскільки постійно пристосовується до змін, з якими стикаються системи. Це рівновага, оскільки функції тіла зберігаються в межах норми, з деякими коливаннями навколо заданої точки. Нирки є основними осморегуляторними органами в системах ссавців; вони функціонують для фільтрації крові та підтримки концентрацій розчинених іонів рідин організму. Вони складаються внутрішньо з трьох різних областей - кори, мозкового мозку та тазу. Кровоносні судини, що транспортують кров в нирки і з них, виникають і зливаються з аортою і нижньою порожнистою веною відповідно. Нефрон є функціональною одиницею нирки, яка активно фільтрує кров і виробляє сечу. Сеча виходить з нирки через сечовід і зберігається в сечовому міхурі. Сеча опуститься з організму через сечовипускальний канал.

Мистецькі зв'язки

Малюнок \(\PageIndex{1}\): При руйнуванні бактерій лейкоцитами пірогени виділяються в кров. Пірогени скидають термостат організму до більш високої температури, що призводить до лихоманки. Як пірогени можуть викликати підвищення температури тіла?

Відповідь

Пірогени підвищують температуру тіла, змушуючи кровоносні судини звужуватися, викликаючи тремтіння і зупиняючи виділення рідини потовими залозами.

Глосарій

ектотерма

організм, який покладається в першу чергу на екологічні джерела тепла для підтримки його температури тіла

Ендотерм

організм, який покладається в першу чергу на внутрішніх джерел тепла для підтримки його температури тіла

інтерстиціальна рідина

рідина, що знаходиться між клітинами в організмі, схожа за конституцією з рідким компонентом крові, але без високих концентрацій білків

нирки

органу, який виконує видільну і осморегуляторную функції

нефрон

функціональна одиниця нирки

осморегуляція

механізм, за допомогою якого концентрація води та розчиненої речовини підтримуються на бажаних рівнях

осмотичний баланс

відповідні значення концентрації води та розчиненої речовини для здорового організму

ниркова артерія

артерія, яка доставляє кров до нирки

ниркова вена

вена, яка відводить кров з нирки

встановити точку

цільове значення фізіологічного стану при гомеостазі

сечоводу

труби, що несуть сечу, що виходять з нирки

сечовипускальний канал

трубка, яка проводить сечу з сечового міхура у зовнішнє середовище

сечовий міхур

структура, що сечоводи спорожнити сечу в

Автори та атрибуції

• Template:ContribOpenStaxConcepts