|
|
|||
|
БІОСИСТЕМИ. БІОСФЕРА
ЕКОСИСТЕМИ. ПОПУЛЯЦІЇ
ОРГАНІЗМИ У ДОВКІЛЛІ
ЛЮДСТВО ТА ЙОГО ДОЛЯ
|
|||
|
V-16. Водний баланс організмів |
|||
V-16. Водний баланс організмів
У найзагальнішому вигляді живий організм можна описати як водний розчин, що вміщений у оболонку — поверхню тіла.
Кнут Шмідт-Нієльсен
У якому б зовнішньому середовищі не знаходився організм, для нього життєво важливою є концентрація водних розчинів у його внутрішньому середовищі. Щоб зберегти життя, слід утримувати його постійним у досить вузьких межах. Оболонки організму проникні як для води, так і для деяких розчинених речовин. Концентрації розчинів у внутрішньому та зовнішньому середовищі практично ніколи не збігаються. Отже, регуляція водного балансу — одна з найважливіших умов виживання організмів. Звичайно, особливості такого балансу відрізняються для організмів, які, наприклад, борються зі спекою і сухістю в пустелі, яку сушить вітер, або ж які підтримують необхідну концентрацію солей у талій воді гірського струмка.
Процеси, які впливають на водний баланс наземних тварин, показано у таблиці 5.16.1.
Таблиця 5.16.1. Компоненти водного балансу наземних тварин
|
Втрати води |
Отримання води |
|
Випаровування через поверхні тіла Випаровування через органи дихання Випаровування поту та слини Виділення із сечею Виділення з калом Інші види виділення (наприклад, з молоком) |
Пиття Вбирання через поверхню тіла Отримання з їжею Одержання води в обміні речовин |
Усі тварини можуть витримувати певні відхилення від нормального вмісту води у тілі (зазвичай близько 10%). Щоб запобігти небезпечні життя відхилення вмісту води, багатьом їх доводиться виробляти відповідні адаптації. Наведемо кілька прикладів:
— у ропух на череві знаходяться спеціальні трубчасті залози, що служать не для виділення речовин, а для вбирання води з вологого ґрунту;
— ті речовини, у складі яких виводяться продукти розщеплення азотовмісних сполук, відрізняються у різних груп тварин (рис. 5.16.1); ті з організмів, яким найважливіше економити воду, виводять Нітроген у формі сечової кислоти;
— шкіра деяких деревних безхвостих амфібій (філомедуз) покрита восковим шаром, що перешкоджає випаровуванню води, а самі ці амфібії виділяють Нітроген не у вигляді розчину сечовини, а у вигляді густої кашки сечової кислоти;
— у міру розвитку яєць змій і ящірок їхня маса збільшується, оскільки вони одержують із навколишнього середовища додаткову воду, необхідну для їх розвитку;
— деякі комахи здатні вбирати воду безпосередньо з вологого повітря через свої трахеї;
— якщо люди, що перенесли корабельну аварію, п'ють морську воду, вони тільки посилюють зневоднення свого організму, оскільки концентрація солей у ній вище концентрації солей у сечі; морські черепахи, на відміну від людей, можуть пити морську воду завдяки тому, що мають сольові залози, які знаходяться в кутах очей і виділяють концентрований розчин солі; у альбатросів та інших трубконосих птахів аналогічну функцію виконують трубчасті залози біля основи дзьоба;
— висока концентрація молока у китоподібних і ластоногих, яке здатне плавати по поверхні води, як суфле, зменшує втрату води організмом матері, яка годує дитинчат.
Рис. 5.16.1. Продукти розщеплення основних груп поживних речовин та три основних способи виведення Нітрогену
Морська вода містить близько 3,5% розчинених солей, причому близько 90% з них становить добре всім відомий хлорид Натрію — кухонна сіль. Загалом склад морської води відносно постійний, хоч і залежить від багатьох умов. Наприклад, солоність Середземного моря вища за норму (до 4%), тому що випаровування води в ньому не врівноважується припливом з річок. Солоність поверхневих вод Чорного моря суттєво нижча за норму (1,8%), а Азовського — ще нижча, від 1 до 1,3%. Причина такого зниження — розведення морських вод через потужний приплив прісної води.
Прісна вода за складом набагато різноманітніша за морську. Невелика кількість солей є навіть у дощовій воді; їхнє джерело — сольовий пил, який утворюється з бризок морської води над океаном. Після випадання на сушу склад дощової води починає змінюватись. Якщо вона тече по гранітній підкладці, вона практично не отримує розчинених речовин і залишається м'якою (що містить мало солей кальцію та магнію). Якщо вона просочується крізь вапняк, в ній розчиняється багато солей (насамперед тих же Кальцію та Магнію) і така вода стає жорсткою. Змішуючись із морською водою, прісна вода стає солонуватою. Особливо це характерно для естуаріїв — зон впадання річок у моря, де їх води змішуються.
Чому солоність морської води така важлива для організмів? Покрови більшості їх напівпроникні: пропускають одні речовини і затримують інші. Так, зазвичай покриви тіла (і клітинні мембрани клітин) пропускають через себе воду та розчинені гази, але затримують іони та відносно великі молекули розчинених речовин. Розгляньте рис. 5.16.2, причому зверніть увагу не тільки на концентрацію розчинених речовин, але і на концентрацію самої води в розчині. "Концентрація" води праворуч від мембрани нижче. Це означає, що внаслідок звичайної дифузії молекули води переходитимуть через напівпроникну мембрану зліва направо!
Рис. 5.16.2. Там, де розчини різних концентрацій контактують через напівпроникну мембрану, виникає осмос — дифузія води у бік більшої концентрації розчинених в ній речовин
Перехід молекул води (або іншого розчинника) із зони з низькою концентрацією розчинених речовин у зону з вищою їх концентрацією крізь напівпроникну мембрану називається осмосом. У якому разі припиниться осмос у випадку, що показано на малюнку? Або коли концентрація розчинів з обох боків мембрани вирівняється, або коли тиск більш концентрованого розчину підвищиться настільки, що зупинить рух води крізь мембрану. Тиск, який треба докласти, щоб припинити осмос, називається осмотичним тиском. Звичайно, цей тиск залежить від різниці концентрацій розчинених речовин у двох розчинах. Порівнюючи якийсь розчин із чистою водою, ми можемо визначити осмотичний тиск цього розчину. Він тим вище, що більше у ньому розчинених речовин. До речі, різні розчинені речовини (наприклад, залежно від того, наскільки вони дисоціюють на іони та як ці іони взаємодіють із молекулами води) по-різному змінюють осмотичний тиск розчину.
Найважливіший наслідок з викладених принципів для живих організмів полягає у тому, що напрям осмосу між напівпроникною поверхнею їхнього тіла та зовнішнім середовищем залежить від співвідношення їх осмотичних тисків.
Як і щодо багатьох інших факторів середовища, невідповідність осмотичних тисків внутрішнього і зовнішнього середовища можна долати, а можна і зазнавати змін внутрішнього середовища внаслідок осмосу. Організми, які дозволяють рівню солоності свого внутрішнього середовища змінюватись, називаються осмоконформерами. Наприклад, до них належать кишковопорожнинні, багатощетинкові черви, багато молюсків, голкошкірі та інші водні тварини. Осмоконформери відрізняються діапазоном змін концентрації внутрішнього середовища, які вони здатні виносити. Наприклад, устриці витримують набагато більші коливання солоності, ніж морські зірки. Ті ж, хто активно підтримує рівень солоності свого внутрішнього середовища, називаються осморегуляторами. Риби, особливо кісткові, відносяться до осморегуляторів. Розглянемо, з якими складнощами вони можуть стикатися (рис. 5.16.3)
Рис. 5.16.3. Для кісткових риб життя в морській та прісній воді потребує зовсім різних фізіологічних процесів для підтримки водного балансу
Морські кісткові риби гіпоосмотичні: концентрація солей у їхньому тілі нижча, ніж у зовнішньому середовищі (якщо ви опинитеся у відкритому океані, пам'ятайте: людина може пити тканинну рідину кісткових риб). Осмотичні процеси забирають воду з організмів морських кісткових риб, висушують їх. Чи можуть риби блокувати цей процес? Шкіра хребетних може бути майже непроникною для води, але непроникні покриви перешкоджатимуть газообміну. Принаймні, в зябрах внутрішнє середовище організму має контактувати із зовнішнім через тонку напівпроникну (проникну не лише для газів, а й для води!) мембрану. Риби, що мешкають у прісній воді, стикаються з протилежними процесами. Їхні тіла гіперосмотичні і «насмоктують» воду з навколишнього середовища.
Як риби вирішують ці проблеми? Морські кісткові риби змушені пити морську воду, а надлишок солей, що надходить з цією водою, виводити з калом і через поверхню зябер. Прісноводні риби виводять велики обсяги сечі з низькою концентрацією солей, а недолік солей, що виникають внаслідок цього, поглинають через поверхню зябер. А тепер уявіть собі, наскільки складні регуляторні завдання доводиться вирішувати лососевим рибам, що піднімаються на нерест з морів у річки або жителям естуаріїв, місце існування яких може змінювати свою солоність залежно, наприклад, від напрямку вітру!
Хрящові риби полегшили завдання підтримки постійного осмотичного тиску внутрішнього середовища, накопичуючи в ньому сечовину. Концентрація солей у крові акул приблизно така сама, як і в кісткових риб, зате сечовини набагато більше (у 100 разів більше, ніж у нашій крові!). Зазначимо два наслідки такого рішення. Перше стосується людей, які вживають м'ясо акул та скатів у їжу. Воно може злегка пахнути сечею і потребувати видалення надлишку сечовини (вимочування в прісній воді). Друге стосується самих хрящових риб: через складнощі в осморегуляції вони, на відміну від кісткових риб, практично не змогли освоїти прісних вод. Економія витрат на осморегуляцію призвела у цієї групи тварин до втрати можливості заселити значну частину можливих оселищ. Відомо лише кілька видів акул і скатів, що вільно заходять у прісні води, і зараз існує лише один по-справжньому прісноводний вид: амазонський річковий скат. У крові цього скату надлишку сечовини немає.