Текст
Comparative Animal Physiology
Edited by C. Ladd Prosser
Professor of Physiology and Zoology Department of Physiology and Biophysics University of Illinois at Urbana — Champaign
Third Edition
W. B. SAUNDERS COMPANY PHILADELPHIA.LONDON-TORONTO 1973
Сравнительная Физиология
ЖИВОТНЫХ
Под редакцией проф. Л. Проссера
У lb
том 1
Перевод с английского
под редакцией
чл.-корр. АН СССР Т. М. Турпаева
ИЗДАТЕЛЬСТВО «МИР»
МОСКВА
1977
УДК 591.1
Фундаментальное руководство по сравнительной физиологии животных, выходящее в 1977—1978 гг. в трех томах, значительно отличается от предыдущего издания, вышедшего на русском языке в 1967 г. Расширился авторский коллектив, переработаны многие разделы, написаны новые главы, обновлены иллюстрации. Книга удачно сочетает в себе достоинства учебного пособия и справочника, содержащего 'основные факты и обширную литературу по одному из важнейших разделов биологии. В первом томе рассмотрены регуляция водного обмена, транспорт и обмен неорганических ионов, питание, физиология и биохимия пищеварения, дыхание, основные пути обмена веществ, типы экскреции азота, детоксикация некоторых метаболитов.
Предназначена для физиологов, биохимиков, экологов, зоологов, студентов, аспирантов и преподавателей соответствующих кафедр университетов и институтов, а также для инженеров, занимающихся проблемами бионики и кибернетики.
Редакция биологической литературы
СРАВНИТЕЛЬНАЯ ФИЗИОЛОГИЯ ЖИВОТНЫХ
Том I
Редакторы Н. Д. Аграчева, Ю. И. Дашкевич, Н. Н. Шафрановская. Художник В. Медников. Художественный редактор В. Бисенгалиев. Технический редактор Г. Алюлина
Сдано в набор 17/1 1977 г. Подписано к печати 19/V 1977 г. Бумага кн. журн. бОХЭО'/и— — 19 бум. л. Печ. л. усл. 38,00. Уч.-изд. л. 45,07. Изд. № 4/8748. Цена 3 р. 40 к. Зак. 1332.
ИЗДАТЕЛЬСТВО «МИР» Москва, 1-й Рижский пер., 2
Московская типография № 11 Союзполиграфпрома при Государственном комитете Совета Л1инистров СССР по делам издательств, полиграфии и книжной торговли. Москва, 113105, Нагатинская ул., д. 1.
50300-369
С 041(01 )-77 ПОД’ ИЗД"
© 1973 by W. В. Saunders Company
© Перевод на русский язык, «Мир», 1977
Предисловие к русскому изданию
В 1967 г. издательство «Мир» опубликовало перевод второго издания (1961 г.) руководства «Сравнительная физиология животных» американских физиологов Л. Проссера и Ф. Брауна. Новое издание этой ценной книги на русском языке является переводом третьего издания, опубликованного в 1973 г. под редакцией профессора Иллинойсского университета Л. Проссера.
Книга состоит из 24 глав: 1. Обмен воды: осмотический баланс, гормональная регуляция; 2. Неорганические ионы; 3. Питание; 4. Сравнительная физиология и биохимия пищеварения; 5. Кислород: дыхание и метаболизм; 6. Сравнительные аспекты промежуточного обмена; 7. Экскреция азота; 8. Дыхательная функция крови; 9. Температура; 10. Биологические ритмы; 11. Возбудимые мембраны; 12. Механорецепция, фонорецепция и рецепция равновесия; 13. Хеморецепция; 14. Фоторецепция и зрение; 15. Центральная нервная система; 16. Мышцы; 17. Электрические органы и электрорецепторы; 18. Амебоидное движение; 19. Реснички; 20. Циркуляция жидкостей в организме; 21. Эндокринные механизмы; 22. Нематоцисты и их аналоги; 23. Хроматофоры и изменение цвета; 24. Биолюминесценция.
В отличие от однотомного оригинала русский перевод книги Л. Проссера издается в трех томах без каких-либо изменений в тексте и последовательности расположения глав. В нашем трехтомном издании дана следующая разбивка на главы: том I — главы 1—7, том II — главы 8—14, том III — главы 15—24.
В новой книге не только значительно возрос объем и расширился авторский коллектив (кроме Л. Проссера, автора большей части книги, в написании ряда глав приняли участие восемь известных физиологов и зоологов из различных университетов США и Великобритании), но, главное, коренным образом переработан весь текст, почти полностью обновлены иллюстрации и таблицы, составлен новый справочный аппарат книги, введены новые главы (6, 10, И), а старые в большой мере написаны заново.
Следует отметить, что предыдущее издание «Сравнительной физиологии животных» отнюдь не утратило своего значения до сих
6 Предисловие к русскому изданию______________
пор, так как многие проблемы, не получившие дальнейшего развития за последние годы и исчерпывающе полно изложенные в издании 1961 г., в книге 1973 г. вообще не рассматриваются. Новое издание дает сводку работ, опубликованных преимущественно за последние 10—15 лет, в которой отражены следующие современные тенденции развития сравнительной физиологии.
1. Использование для сравнительно-физиологических и сравнительно-биохимических исследований новейших биохимических, фармакологических, биофизических и морфологических методов.
2. Использование для сравнительно-физиологических обобщений достижений в области молекулярной биологии, биохимии, биофизики, цитологии, зоологии.
3. Использование многих объектов сравнительной физиологии для изучения важнейших вопросов общей физиологии, например механизмов транспорта ионов через мембраны, процессов возбуждения и торможения.
Значительно слабее отражено другое, очень важное направление современной сравнительной физиологии — реконструкция путей и закономерностей эволюции разных функций на основании данных сравнительной физиологии и сравнительной биохимии.
Эволюционный подход к анализу экспериментальных данных по сравнительной, возрастной и экологической физиологии традиционно разрабатывался в нашей стране, начиная с исследований И. М. Сеченова, И. П. Павлова, А. Ф. Самойлова, Н. К. Кольцова и других выдающихся биологов. Сам термин «эволюционная физиология» был предложен еще в 1914 г. крупнейшим дарвинистом, эволюционным морфологом А. Н. Северцовьгм. В конце 20-х и начале 30-х годов в СССР были созданы первые научные коллективы сравнительных физиологов (X. С. Коштоянцем в Москве, Л. А. Ор-бели и Е. М. Крепсом в Ленинграде), в которых разрабатывались различные проблемы эволюции физиологических функций. После войны сравнительно-физиологические исследования широко развернулись во многих научных коллективах страны. Этому способствовало издание в 1950 и 1957 годах двухтомного руководства X. С. Коштоянца «Основы сравнительной физиологии», которое стало настольной книгой многих биологов. В отличие от «Сравнительной физиологии животных» Л. Проссера и Ф. Брауна «Основы» X. С. Коштоянца были изложены в эволюционном аспекте.
Важными событиями, стимулировавшими исследования в области эволюционной физиологии в нашей стране, была организация академиком Л. А. Орбели в 1956 году в Ленинграде Института эволюционной физиологии им. И. М. Сеченова АН СССР (теперь Институт эволюционной физиологии и биохимии им И. М. Сеченова АН СССР) и основание в 1965 г. академиком Е*. М. Крепсом «Журнала эволюционной биохимии и физиологии». В СССР стали издаваться специальные сборники трудов совещаний, конференций и симпозиумов по сравнительной, онтогенетической и экологической
Предисловие к русскому изданию
7
^физиологии и биохимии. В связи с тем, что материалы этой обширной и разносторонней литературы на русском языке не были включены Л. Проссером в третье издание руководства «Сравнительная физиология животных», в конце предисловия мы даем список некоторых изданий, посвященных различным проблемам эволюционной физиологии и список журналов, издаваемых АН СССР, в которых публикуются работы по сравнительной физиологии. Много работ в области сравнительной физиологии публикуют издательства АН союзных республик в своих биологических журналах и специальных изданиях.
В переводе этого издания принимали участие известные ученые в области сравнительной физиологии, биохимии и морфологии, что в значительной мере облегчило работу по редактированию перевода. Большая помощь в редактировании перевода зоологической и экологической терминологии и соответствующих текстов была оказана зоологом Ю. М. Фроловым.
Несомненно, что новое издание на русском языке «Сравнительной физиологии животных» Л. Проссера, так же как и предыдущее издание этой книги, станет очень ценным пособием для студентов и аспирантов университетов и большого отряда исследователей, работающих в самых разнообразных областях биологии.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Александрян Э. А., Сенсорное развитие на ранних этапах онтогенеза и роль двигательного анализатора в этом процессе, изд-во «Айастан», Ереван, 1972.
Анохин П. Очерки по физиологии функциональных систем, изд-во «Медицина», М„ 1975.
Аршавский И. А., Очерки по возрастной физиологии, изд-во «Медицина», М„ 1967.
Астауров Б. Л. (ред.), Гормональные факторы индивидуального развития, изд-во «Наука», М., 1974.
Батуев А. С., Эволюция лобных долей и интегральная деятельность мозга, изд-во «Медицина», Л., 1973.
Бериташвили И. С., Память позвоночных животных, изд-во «Наука» М 1974. У ' "
Вианки^В. Л., Эволюция парной функции мозговых полушарий, Изд-во ЛГУ, Л.,
Бирюков Д. А., Экологическая физиология нервной деятельности, «Медгиз», М., 1960.
Бузников Г. А., Низкомолекулярные регуляторы зародышевого развития изд-во «Наука», М., 1967.
Бызов А. Л., Электрофиизологические исследования сетчатки, изд-во «Наука», М, 1966.
Винников Я. А., Цитологические и молекулярые основы рецепции, изд-во «Наука», __ «И., 1971.
инников Я. А., Газенко О. Г. и др., Рецептор гравитации. Эволюция структурной, цитохимической и функциональной организации, изд-во «Наука», Л., * У / J ,
оино-Ясенецкий А. В., Первичные ритмы возбуждения в онтогенезе, изд-во «Наука», Л., 1974.
8 П редисловиек русскому изданию______________________
Волохов А. А., Закономерности онтогенеза нервной деятельности в свете эволюционного учения, Изд-во АН СССР, М.— Л., 1951.
Воронин Л. Г., Лекции по сравнительной физиологии высшей нервной деятельности, Изд-во МГУ, М., 1957. u
Воскресенская А. К., Функциональные свойства мышц насекомых, Изд-во АН СССР, Л„ 1959.
Гербильский И. Л. (ред.), Нейросекреторные элементы и их значение в организме, изд-во «Наука», М. — Л., 1964.
Гинецинский А. Г., Об эволюции функций и функциональной эволюции, Изд-во АН СССР, М. — Л., 1961.
Гинецинский А. Г., Физиологические механизмы водно-солевого равновесия, Изд-во АН СССР, М. — Л., 1963.
Говырин В. А., Трофическая функция симпатических нервов, сердца и скелетных мышц, изд-во «Наука», Л., 1967.
Голубева Е. Л., Формирование центральных механизмов регуляции дыхания в онтогенезе, изд-во «Наука», М., 1971.
Жуков Е. К., Очерки по нервно-мышечной физиологии, изд-во «Наука», Л., 1969.
Жуков Е. К. и др., Развитие сократительной функции мышц двигательного аппарата, изд-во «Наука», Л., 1974.
Итина Н. А., Функциональные свойства нервно-мышечных приборов, Изд-во АН СССР, М. —-Л., 1959.
Карамян А. И., Функциональная эволюция мозга позвоночных, изд-во «Наука», Л., 1970.
Карамян А. И., Эволюция конечного мозга позвоночных, изд-во «Наука», Л., 1976.
Корнева Е. А., Эволюция рефлекторной регуляции сердечной деятельности, изд-во «Медицина», Л., 1965.
Коштоянц X. С., Основы сравнительной физиологии, т. I, Изд-во АН СССР, 1950; т. II, Изд-во АН СССР, 1957.
Коштоянц X. С., Проблемы энзимохимии процессов возбуждения и торможения и эволюции функций нервной системы, Изд-во АН СССР, М., 1963.
Крепе Е. М. и др., (ред.), Эволюция функций. Физиологические, биохимические и структурные основы эволюции функций, изд-во «Наука», М.— Л., 1964.
Крепе Е. М., Фосфолипиды клеточных мембран нервной системы в развитии животного мира, изд-во «Наука», Л., 1967.
Лейбсон Л. Г., Сахар крови, Изд-во АН СССР, М. — Л., 1962.
Мантейфель Ю. Б., Вызванные потенциалы зрительного .центра среднего мозга амфибий, изд-во «Наука», М., 1974.
Маркосян А. А., Вопросы возрастной физиологии, изд-во «Просвещение», М., 1974.
Михельсон М. Я., Зеймаль Э. В., Ацетилхолин. О молекулярном механизме действия, изд-во «Наука», Л., 1970.
Образцова Г. А., Вопросы онтогенеза высшей нервной деятельности, изд-во «Наука», Al. — Л., 1964.
Ониани Т. И., Вопросы сравнительной физиологии нервно-мышечного аппарата, изд-во «Мецнеироба», Тбилиси, 1964.
Орбели Л. А., Избранные труды, т. I. Вопросы эволюционной физиологии, Изд-во АН СССР, М. — Л., 1961.
Плисецкая Э. М., Гормональная регуляция углеводного обмена у низших позвоночных, изд-во «Наука», Л., 1975.
Поленов А. Л., Гипоталамическая нейросекреция, изд-во «Наука», Л., 1971.
Сахаров Д. А., Генеалогия нейронов, изд-во «Наука», М., 1974.
Свидерский В. Л., Нейрофизиология полета насекомых, изд-во «Наука», Л „ 1973.
Серавин Л. Н., Двигательные системы простейших, строение, механохимия и физиология, изд-во «Наука», Л., 1967.
Сергеев Б. Ф„ Эволюция ассоциативных временных связей. Филогенез замыкательной деятельности хордовых, изд-во «Наука», Л., 1967.
Пр ед и словие к русскому изданию
Слоним А Д., Частная экологическая физиология млекопитающих, Изд-во АН СССР, М. —Л., 1962.
Строганов Н. С., Экологическая физиология рыб, Изд-во МГУ, М., 1962.
Тетяева М. Б., Эволюция функций блуждающего нерва в деятельности желудочно-кишечного тракта, Изд-во АН СССР, М. — Л., 1960.
Тцрпаев Т. М. (ред.), Проблемы эволюции функций и энзимохимии процессов возбуждения, Изд-во АН СССР, М., 1961.
У голев А. М., Пищеварение и его приспособительная эволюция, изд-во «Высшая школа», М., 1961.
Фирсов Л. А., Память у антропоидов, изд-во «Наука», Л., 1972.
Шапиро Б. И., Зрительные проекции промежуточного и среднего мозга костистых рыб, изд-во «Наука», Л., 1971.
Шаповалов А. И., Нейронная организация и синаптические механизмы супраспи-нального моторного контроля, изд-во «Наука», Л., 1976.
Шулейкина К. В., Системная организация пищевого поведения, изд-во «Наука», М., 1971.
Штарк М. Б., Мозг зимнеспящих, изд-во «Наука», Новосибирск, 1970.
Журналы, издаваемые издательством «Наука»
Журнал эволюционной биохимии и физиологии Физиологический журнал СССР им. И. М. Сеченова Журнал высшей нервной деятельности им. И. П. Павлова Нейрофизиология
Успехи физиологических наук
Цитология
Биофизика
Биохимия
Молекулярная биология
Журнал общей биологии
Зоологический журнал
Онтогенез
Ихтиология
Экология
Доклады Академии Наук СССР
Известия АН СССР, серия биологическая
Природа
Химия и жизнь
Т. М. Турпаев
Предисловие
к английскому изданию
Эта книга представляет собой совершенно новое издание руководства по сравнительной физиологии животных. Оно может служить: 1) учебным руководством для студентов старших курсов и аспирантов, 2) библиографическим справочником для начинающих исследователей и 3) обзором литературы по отдельным вопросам для исследователей, занимающихся другими проблемами. В написании книги участвовало больше авторов, и она шире по проблематике, чем издания 1950 и 1961 гг. За последние 10 лет область сравнительной физиологии сильно расширилась; для объяснения физиологических явлений все чаще используются подходы и представления биохимии и биофизики.
В соответствии с пожеланиями многих читателей увеличен объем таблиц, включающих различные биологические данные. В книге использовано большое количество специально подобранной литературы. Подробно рассмотрены многие физиологические явления, краткая интерпретация которых дана в многочисленных резюмирующих разделах. В списках литературы сохранены ссылки на ряд старых классических работ, но главное место занимают статьи, опубликованные после 1960 г. Некоторые данные приводятся без указания литературного источника; это относится к работам, цитированным в предыдущих изданиях книги, и к фактам, вошедшим в элементарные учебники физиологии. Названия статей в списках литературы сокращены.
Предполагается, что читатель имеет некоторую исходную подготовку и, в частности, знаком с основными типами и классами животных, хотя в книге широко используются тривиальные названия организмов. Предполагается также знание основ клеточной физиологии, и некоторые факты из этой области использованы для сравнительно-физиологических обобщений. Для понимания глав о пищеварении, азотистом обмене, дыхании и промежуточном обмене необходимо элементарное знание биохимии. Читатель должен быть знаком и с основными функциями различных органов в объеме обычных учебников физиологии животных и человека. Данные, полученные на млекопитающих, часто используются в этой книге для
Предисловие к английскому изданию И иллюстрации общих подходов и выводов сравнительной физиологии.
Мы увеличили объем книги, стремясь не отстать от быстрого прогресса науки. В первой половине книги речь идет о физиологических проблемах адаптации к условиям жизни; эту часть книги можно использовать как пособие по экологической физиологии. Кроме того, эти разделы содержат довольно много данных по сравнительной биохимии. Вторая половина книги посвящена физиологии органов чувств, эффекторных органов и интегративных систем-(нервной, эндокринной); она может быть полезна при прохождении курса физиологии поведения. В книгу включена глава по сравнительной физиологии возбудимых мембран, которой не было в предыдущих изданиях.
В новом издании сохранен принцип разделения материала по функциональным системам. Порядок изложения данных по каждой системе и наличие указателя помогут читателю найти нужные ему сведения о тех или иных внешних факторах, группах животных ил’и ферментах.
Авторы стремились сохранить равновесие между широтой охвата и глубиной изложения материала. Все главы были прочитаны специалистами-рецензентами. Мы благодарны многим коллегам за ценные замечания. В частности, такие замечания сделали М. В. Гринберг (по введению), Л. Б. Киршнер, Дж. Виллис (по гл. 2 и 3), А. Риггс, К. ван Хольде (гл. 8), Дж. Э. Хит, Дж. Хейзел (гл. 10), Дж. Мак-Рейнолдс, Дж. Парнас, Д. Кеннеди, Д. Хёрст (гл. 11), Л. Айткен, Т. Трахиотис, Дж. Оффатт, Б. А. Будельман (гл. 12), Д. Кеннеди, Н. Котчабхакди, Р. Джозефсон (гл. 15), Л. Барр, М. Холман, Дж. Кэмпбелл, Р. Робсон (гл. 16), М. В. Беннетт (гл. 17), М. Чайлд (гл. 19), К- Р. Рао (гл. 21), К- Р. Рао, М. Фингерман (гл. 23), Дм. У. Хастингс, Дж. Ф. Кейс, Дж. В. Бакк (гл. 24).
Редактор книги благодарит госпожу М. Уолден, принявшую участие в перепечатке рукописей для всех трех изданий книги. Он особенно признателен своей жене X. Б. Проссер, оказавшей большую помощь в подборе литературы, подготовке текста и работе над рукописями.
Л. Проссер
Введение
л. ПРОССЕР
Задача физиологии заключается в анализе функций живых организмов. Физиология — это своего рода синтетическая наука, использующая для изучения биологических объектов физические и химические методы. Для понимания сравнительной физиологии животных необходимо знание основ общей зоологии, морфологии животных, биохимии и физиологии клетки.
Направления в физиологии
Для практических целей физиологию можно подразделить на следующие три ветви.
Физиология клетки. Клеточная, или общая, физиология изучает основные свойства, присущие большинству животных организмов. Протоплазма еще до появления многоклеточных организмов претерпела длительную биохимическую эволюцию; поэтому клетки приобрели необычайно сложную функциональную организацию. Основные свойства любых клеток, будь то дрожжевая клетка, мышечная или клетка паренхимы листа, весьма сходны, например избирательная проницаемость мембран, наличие окислительных ферментов, участие нуклеотидов в важнейших жизненных процессах, взаимодействие ядра и цитоплазмы, биоэлектрические свойства мембран при возбуждении и многие другие характеристики. На клеточном уровне все организмы имеют больше общих черт, чем различий, и это сходство создает фундамент для эволюционного подхода к изучению физиологии. Клеточная специализация приводит к возникновению разнообразных типов клеток и нередко свя-зана с утратой какой-либо одной функции и усилением другой, В этом смысле можно говорить о сравнительной физиологии клеток в пределах одного организма. Свойства, изучаемые клеточной физиологией, почти универсальны и чрезвычайно устойчивы к воздействию факторов внешней среды; в настоящей книге они рассматриваться не будут. Мы остановимся лишь на тех из них, которые необходимы для объяснения функций органов.
14
Введение
Физиология отдельных групп организмов. Эта область физиологии изучает функциональные особенности отдельных групп растений и животных.
Одинаковые функции осуществляются у разных видов животных различным образом. Физиология некоторых групп животных изучена особенно подробно. Под физиологией животных по традиции понимают физиологию человека и млекопитающих; эта наука создает рациональную основу для медицины и животноводства. Физиология высших растений имеет важное значение в качестве теоретической основы растениеводства. Физиология насекомых, физиология рыб и физиология паразитов выделились в самостоятельные области науки.
Сравнительная физиология. Сравнительная физиология изучает функции отдельных органов и их систем у самых разных групп организмов, выявляя общие принципы их функциональной организации. Она рассматривает способы, посредством которых различные организмы осуществляют одинаковые функции; нередки случаи, когда генетически несходные организмы проявляют удивительное сходство своих функциональных характеристик и реакций на одни и те же внешние раздражители, в то же время близкородственные животные часто реагируют на факторы среды весьма различно. Помимо таких показателей, как свет, температура, напряжение кислорода или гормональное равновесие, используемых в любых физиологических исследованиях, сравнительная физиология анализирует каждую функцию в зависимости от положения животного в филогенетическом ряду. Такой подход позволяет делать весьма оригинальные биологические обобщения.
Сравнительное изучение поведения животных и их взаимоотношений со средой охватывает как молекулярный, так и организменный уровни, как редукционистское, так и холистическое направления в философии естествознания.
Важная задача сравнительной физиологии состоит в определении места человека в биологической истории и филогенетических связях. Медицинская физиология по своей сути антропоцентрична. Но человек как биологическое существо есть результат длительной истории естественного отбора физиологических процессов. Поэтому изучение какого-либо животного, у которого исследуемая функция развита сильнее, чем у человека, может пролить свет и на физиологию человека.
Филогения
Физиологические особенности любой группы животных отражают ее эволюционную историю. Специалист по филогении в своих исследованиях использует палеонтологические данные, если они имеются, и, кроме того, обращается к таксономии и сравнительной морфологии. Поскольку проведение физиологических эксперимен
Введение
15
тов на ископаемых животных невозможно, более важное значение приобретает изучение функциональных аналогий и гомологий и их соответствие с морфологическими данными о родстве тех или иных животных друг с другом. Гомология является следствием общности генофонда, имевшейся в древности. Она прослеживается главным образом в структуре как на уровне белков и липидов, так и на уровне целых органов или их частей. Понятием физиологической гомологии пользуются, когда говорят о функциях генетически родственных систем (или ферментов), служащих одинаковым целям (в качестве примера можно привести натриевый насос в разных органах или родопсин в глазах различных животных). Понятие физиологической аналогии применяют в случаях эволюционной конвергенции или сходного решения определенной жизненной задачи с помощью различных не связанных между собой средств (например, использование разнообразных металлопротеидов для транспорта кислорода).
Поскольку сравнительная физиология использует в качестве экспериментальных переменных таксономические единицы — от подвида до типа, — весьма важно знать, какие родственные отношения существуют между различными организмами и как они развивались. Знание филогении помогает в выборе экспериментального животного, наиболее подходящего для исследования некоторых физиологических процессов, например процессов возбуждения и сокращения, сопряженно протекающих в мышцах, а также для решения вопроса о том, однократно или повторно они возникают. В каждой данной группе животных функция четко определяется происхождением этой группы. Физиологический анализ оказывается полезным и для выяснения эволюционных взаимосвязей.
Основные типы животных возникли более или менее одновременно в кембрийском периоде; следовательно, принятое сейчас эволюционное древо более полифилетично и менее монофилетично,, чем конструировавшееся раньше. В положении многих типов на цреве животного мира пока нет полной уверенности, а между типами постулируется наличие многочисленных «недостающих звеньев». Принятая сейчас филогенетическая схема дана на рис. 1.
Жгутиковые — наиболее примитивные простейшие; другие современные простейшие и губки представляют собой боковую ветвь, отходящую от основного ствола. Близ основания ствола от него отделяются круглые черви и другие не обладающие целомом животные. Примерно на этом же уровне происходит разделение на две основные линии: 1) линию кольчатых червей, членистоногих и моллюсков и 2) линию иглокожих и хордовых. Наивысшей специализации среди моллюсков достигли головоногие, среди членистоногих насекомые, а среди хордовых — птицы и млекопитающие. Разные линии характеризуются, как правило, особенностями эмбрионального развития животных. Группе кольчатых червей, членистоногих и моллюсков свойственно детерминированное, или спираль-
Головоногие
•Млекопитающие ]
Насекомые
Птицы
•Многоножки
Бесчерепные
Погонофоры
Морские пауки
Морские лилии
Осриуры
Морские звезды
Морские ежи
Земноводные
Голотурии
I Костные
I рыбы
Хрящевые
и" рыбы
^•Весчереп- ^-1
ные I_______________|
,-Личииочно- и-СипункулиВы хордовые ।
Пиявки
Малощетин новые червг
Онихофоры Тихоходы
Пятиустки
Полихопдооые
Губки
Простейшие
Немертины Плоские черви
Билатеральные планулоиды
Примитивные Ькгцтикобые
Примитивные вторичноротпые
Щетинкочелю-— сотые I—
Примитивные кольчатые черви
Водоросли Гребневики \ \ \бораллобые палицы \\\ Сцифоибные^^.
V V\ Гидроидные -—
Радиальные-Длтулоиды
Пресмыкающиеся
Ракообразные Паукообразные Мечехвосты.
Зхиуры
Многбиуити _____новые черви
Приапулиды Нематоды
Скребни Волосатиковые ! киноринхи Гастротрихи
Плеченогие
ФорОНидЪ1
-Внепорошицевые [
Внутрипороши- \ Коловратки цевые
Двустворчатые — моллюски
—Лопатоногие моллюски
—Брюхоногие моллюски
—Моноплако-сроры
—Полиплако-(роры
f-Беспанцирные
Рис. 1. Филогенетическое древо животного царства.
В настоящее время большинством ученых признается полифилетическое происхождение животных. Кишечнополостные — гребневики, коралловые полипы, сцифоидные и гидроидные — связаны родством между собой, но не считаются прямыми предками высших животных; губки также находятся в стороне от главной ветви. Радиация первичноротых берет начало от вымершей линии организмов, подобных плоским червям, и включает три ветви: 1) современные плоские черви и немертины, 2) моллюски (классы показаны справа), 3) линия кольчатых червей — членистоногих, включающих различные близкие кольчатым червям формы. Происхождение и взаимосвязи нескольких псевдополостных ветвей, таких, как коловратки и нематоды, неясны. Положение некоторых полостных животных, таких, как брюхоногие, внепорошицевые и форониды, тоже неясно. Примитивные вторичиоротые возникли независимо, дав начало иглокожим и хордовым. (Любезно пред ставлено М. Лж. ГпигЛтггм: s;st Яоо1. 22. 1973.)
Введение
17
ное дробление: их бластомеры распределяются по определенному, оаз’и навсегда установленному типу; равнопотенциальность клеток выражена слабо, и судьба каждой клетки строго предопределена; группе иглокожих и хордовых свойственно недетерминированное дробление. В первой группе образование мезодермы начинается с одной определенной клетки бластулы, которая дает две боковые мезодермальные полоски; во второй же группе мезодерма закладывается в виде выпячиваний первичной кишки, т. е. энтодермы. У первой группы целом возникает в виде полостей в мезодермальных полосках, а во второй группе—в виде первичной кишки. Несколько мелких типов относятся к псевдоцеломическим, так как полость тела у них не является истинным целомом. У кольчатых червей, членистоногих и моллюсков бластопор превращается в ротовое отверстие (первичноротые), а анальное отверстие образуется вторично на противоположном конце гаструлы; у иглокожих же и хордовых бластопор превращается в анальное отверстие, а рот образуется вторично (вторичноротые).
Концепция вида
Существует несколько определений, или концепций, вида, но ни одно из них не может быть применено ко всем организмам, главным образом из-за различий в типах размножения. Типологическая концепция вида основывается на устойчивых отличительных признаках — обычно морфологических или белковых (изофермент-ных), причем не обязательно адаптивных; эта концепция наиболее широко используется для классификации. В принципе классификация должна соответствовать филогении, но для ее практического применения это не обязательно. Таким образом, таксономия сама возникла в результате филогенетических построений и не может служить доказательством филогении.
Физиологические признаки, с которыми имеет дело клеточная физиология, слишком универсальны, чтобы их можно было использовать для построения детальной классификации, хотя по некоторым клеточным признакам можно различать крупные таксономические группы. Многие физиологические свойства весьма чувствительны к влиянию окружающей среды, т. е. настолько нестабильны, что не могут быть использованы в таксономии. Некоторые физиологические признаки были подвергнуты генетическому анализу, показавшему, что они обусловлены несколькими генами; диапазон изменчивости адаптивных признаков нередко бывает очень широк, и кроме того, соответствующие функции могут обеспечиваться различными параллельными или альтернативными путями. Однако есть случаи, когда некоторые очень близкие виды (виды-двойники), похожие морфологически, хорошо различимы физиологи-
2-1332
18
Введение
Вторая и наиболее употребимая концепция вида, биологическая, рассматривает вид как популяцию сходных особей, в пределах которой может происходить обмен генами. Популяции, которые сохраняют обособленность, обитая в одной и той же области (т. е. будучи симпатрическими), несомненно, относятся к разным видам. Если же две популяции пространственно разобщены (т. е. являются аллопатрическими), то в них за геологическое время могут развиться изолирующие механизмы, которые будут препятствовать скрещиванию между ними, если когда-либо эти популяции встретятся друг с другом. Биологической концепции вида не вполне соответствует ситуация, когда имеется серия популяций (образующих кольцо, клин и т. д.), среди которых две крайние популяции не способны скрещиваться друг с другом, хотя каждая популяция серии может скрещиваться с соседней. В природе многие скрещивающиеся популяции пространственно изолированы и все же гибридизация между таксономическими видами происходит чаще, чем это подчас предполагают. Репродуктивная изоляция может быть обусловлена морфологическими различиями, различиями в сезонных и суточных ритмах, хромосомными, гормональными и поведенческими различиями, физиологической и этологической несовместимостью и экологической разобщенностью.
Третья, физиологическая, концепция вида основана на двух главных предположениях: 1) два вида не могут занимать одну и ту же экологическую нишу на одной и той же стадии их жизненных циклов и 2) два вида из сходных ниш не могут одновременно занимать один и тот же географический ареал на протяжении соответствующих стадий их жизненных циклов. Все это означает, что> каждый вид уникальным образом адаптирован к своей экологической нише и к своему географическому ареалу и что если бы все особенности функциональной адаптации были нам до конца ясны, то стало бы возможным действительно эволюционное описание вида. Адаптация — это термин, обозначающий любое изменение или реакцию организма, которая способствует выживанию в изменившихся условиях. Физиологическое описание видов требует сочетания полевых наблюдений и лабораторных исследований, что возможно в отношении лишь очень немногих организмов. В первую очередь необходимо дать описание — сделанное на основании наиболее важных признаков — физиологической изменчивости в естественных популяциях, т. е. провести статистический анализ способности к приспособлению. Во-вторых, следует проанализировать наблюдаемую в популяции изменчивость и выяснить, в какой мере она обусловлена генетически и в какой определяется влиянием окружающей среды; для этого требуется проведение экспериментов по перекрестной акклимации, трансплантации и скрещиванию. Наконец, в-третьих, необходим анализ физиологических механизмов, лежащих в основе изменчивых признаков. Согласно любой концепции вида, процесс видообразования развивается в определенной по
Введение
19
следовательности и состоит из нескольких физиологических этапов. Можно выделить следующие этапы:
1 Обусловленное средой изменение лабильных признаков.
2 Перестройка поведения для завоевания новых ниш и изменения границ ареала.
3. Случайные генетические изменения, порождающие разновидности, расы, подвиды и т. д.
4. Отбор генетических изменений, адаптированных к условиям ниш и ареалов.
5. Изоляция — экологическая или географическая — прошедших отбор популяций.
6. Формирование вторичных признаков, обеспечивающих репродуктивную изоляцию.
Физиологические признаки вступают в действие на этапах 1, 2, 4 и 6.
В природе генетическая изменчивость может быть более выражена, чем фенотипическая, однако естественный отбор действует именно на фенотипы. Таким образом, функциональный признак, имеющий опосредованную связь с генетическим кодом, либо будет отобран, либо исчезнет. Так, например, отбор действует на процесс регуляции содержания ионов в организме скорее через экскреторные органы, чем через ДНК, которая кодирует белки транспортных ферментов.
Физиологическая изменчивость
При анализе любой популяции необходимо отличать изменчивость, обусловленную генетическими причинами, от изменчивости, вызванной влиянием окружающей среды. Каждая популяция имеет в своем составе особи с разными генотипами, что графически можно представить в виде кривой распределения. Адаптивное генетическое изменение, возникающее в популяции вблизи границы ареала, имеет больше шансов сохраниться, чем изменение, появляющееся в менее стрессовых условиях центра ареала. Как правило, уровень генетической изменчивости в популяциях (например, типы исчерченности хромосом у видов Drosophila) в центральных частях ареала выше, чем на его границе. Пределы изменчивости, возникающей под влиянием внешней среды, у каждого отдельного животного определяются свойствами его генотипа. Генетическую и и связанную с условиями среды изменчивость (т. е. обусловленную генотипом или влиянием внешней среды) можно разграничить путем акклимации или акклиматизации с последующим скрещиванием неродственных друг другу особей. Аккламацией обычно называют компенсаторное изменение, возникающее в организме в ответ на длительное отклонение какого-то одного фактора внешней среды (обычно в лабораторных условиях) от первоначального Уровня. Полная акклимация выражается в том, что функциональ-2*
20
Введение
ный уровень остается одинаковым в различных условиях среды. Под акклиматизацией понимают компенсаторные изменения в организме, возникающие в ответ на изменение одновременно многих факторов внешней среды — климатических, физических и биологических.
Критерии физиологической изменчивости, которые могут быть использованы для оценки адаптивных свойств генотипов, должны учитывать все функциональные системы и все уровни организации животных. Большая их часть касается взаимодействий организма с внешней средой. К наиболее употребительным критериям относятся функциональные различия между животными, находящимися в условиях экстремальных воздействий среды.
А
Внешние условия В
•Рис. 2. Изменение внутреннего состояния в зависимости от внешних условий (для данного параметра).
А. Конформация — изменение внутреннего состояния соответствует изменениям внешних условий. Б. Регуляция — внутреннее состояние в какой-то степени не зависит от внешних условий; О1 и а2 — две степени акклимации. Сплошной линией показаны пределы обычной устойчивости, а пунктирной — пределы устойчивости лишь в течение коротких периодов времени.
1. Тесты на выживание при экстремальных значениях факторов среды, например определение средних летальных значений для высоких и низких температур, солености и кислородного режима. Можно получить данные о выживании как целых животных, так и их тканей или определенных ферментов (по степени их инактивации). В целом наибольшей устойчивостью обладают ферменты, несколько меньшей — отдельные ткани и самой малой — целые организмы. Чувствительность разных органов и систем животного к внешним воздействиям далеко не одинакова; например, у многоклеточных нервная система чувствительнее других систем. Пределы выживаемости организмов или их частей до некоторой степени можно изменить, поставив их в условия постепенного привыкания к воздействию конкретного фактора внешней среды.
2. Определение предельных значений факторов среды, еще допускающих размножение. Эмбрионы зачастую более чувствительны к экстремальным условиям, чем взрослые животные. Между тем в природе имеет значение именно завершение полного жизненного цикла, т. е. возможность оставить потомство. Ранние стадии жиз-
Введение
2й
енного цикла в физиологическом отношении изучены пока слабо, Н 3 Внутреннее состояние как функция факторов окружающей
e„bI (рис. 2). Некоторые животные при изменении условий среды (например, пойкилотермные животные при колебаниях внешней температуры) изменяют свое функциональное состояние, т. е. способны к конформации. Другие же животные при изменении окружающих условий сохраняют относительное постояство своего функционального уровня, т. е. осуществляют регуляцию (примером может служить регуляция температуры тела у гомойотермных животных). Можно определить степень конформации или регуляции в отношении всех физических факторов внешней среды. В целом животные, способные к конформации (конформеры), устойчивы к колебаниям внутренней среды в широких, а к колебаниям внешней среды лишь в узких пределах. В то же время животные, способные к регуляции («регуляторы»), устойчивы к изменениям внутренней среды лишь в узких пределах, зато к изменениям внешней среды они устойчивы в значительно более широких пределах. У животных первого типа в результате акклимации может произойти сдвиг пределов устойчивости к изменениям внутренней среды; у животных второго типа акклимация может привести к сдвигу функционального состояния до уровня, при котором гомеостатическая регуляция нарушается или, напротив, активируется. Оба механизма — конформация и регуляция — являются гомеостатическими в том смысле, что дают возможность животным выжить в изменившихся условиях среды, и у большинства животных наблюдается сочетание' этих двух механизмов.
4. Возврат в нормальное состояние. Животные стремятся к некоторым «нормальным» условиям и при нарушении этих условий (например, при избыточной гидратации или обезвоживании, чрезмерном нагревании или охлаждении) могут компенсировать эти нарушения или же (после устранения нарушения) вернуться к состоянию, соответствующему исходным, «нормальным», условиям, причем этот возврат происходит совершенно определенным образом. Скорость возврата к исходному состоянию специфична для каждого вида животных. До сих пор, однако, вопросу о том, какое состояние можно считать нормой и каков механизм чувствительности к отклонениям от нормальных условий, уделялось слишком мало внимания.
5. Функциональные уровни. Скорость движений животного или процессов обмена веществ, а также скорость той или иной ферментативной реакции можно измерять как in vivo, так и in vitro в зависимости от факторов внешней среды или от внутренних условий. Для измерения скорости ферментативных реакций используют два метода: 1) измерение максимальной скорости, при которой реакция лимитируется уровнем активности самого фермента, и 2) измерено констант Михаэлиса (величина /См), которые соответствуют коростям, наблюдаемым при более физиологических концентра
22
Введение
циях субстрата. Колебания скоростей реакций (например, в зависимости от температуры) определяются генетическими причинами или условиями внешней среды.
6. Макромолекулярное разнообразие. Смесь сходных белков можно разделить путем электрофореза, аминокислотного анализа или иммунологических реакций. Сходные нуклеиновые кислоты можно охарактеризовать исходя из соотношений их оснований. Изоферменты, представляющие собой варианты форм одного и того же белка, синтезируются под контролем разных генов или возникают как результат комбинаций продуктов этих генов. Ал-.лоферменты являются продуктами множественных аллелей одного и того же гена и встречаются в популяциях со сбалансированным полиморфизмом. Биохимическое разнообразие приобретает физиологический смысл в тех случаях, когда данная структура химических соединений обладает определенной адаптивной ценностью.
7. Поведение. К поведению относятся таксисы, выбор «предпочитаемых» условий, а также сложные типы поведения, такие, как «ухаживание», спаривание и забота о потомстве.
Сравнительная экологическая физиология
Область обитания какого-либо животного зависит от области обитания его предков. Суммировать все факторы среды, влияющие на организм, непросто. Тем не менее можно выделить 4 основные •среды обитания — море, пресные водоемы, сушу и среду обитания эндопаразитов. Каждую из этих сред специалисты в области зоогеографии, биологии моря и экологии подразделяют на многочисленные более мелкие единицы. Животные, обитающие в разных условиях, сталкиваются с неодинаковыми проблемами; в то же время, живя в одинаковых условиях, разные животные одну и ту же проблему решают различными способами.
Сравнительная физиология рассматривает организм в связи с влияющими на него многочисленными факторами внешней среды, к которым относятся вода, неорганические ионы, органические питательные вещества, кислород и углекислый газ, свет, механические колебания высокой и низкой частоты, давление, сила тяжести, ионизирующие и другие виды излучений, температура. Сравнительная физиология изучает приспособительные реакции животных на действие всех этих факторов. Кроме того, животное, находясь в своей естественной среде обитания, испытывает влияние со стороны других организмов. Для понимания биотической среды необходимо изучить поведение животных.
Область распространения каждого вида формируется в процессе естественного отбора в зависимости от пределов устойчивости этого вида. Один какой-либо фактор окружающей среды, например соленость, может ограничивать распространение одной группы; другой фактор, например температура, может ограничивать распро-
Введение
23
тпанение другой группы животных. Внутри определенного диапазона условий отдельные организмы могут отличаться друг от друга границах, определяемых их генотипом; фенотип представляет собой результат сочетания генетических влияний и воздействия окружающей среды.
Выше уже говорилось о проведении физиологических измерении в опытах на животных, находящихся под воздействием стрессовых или каких-либо других условий. В целом адаптивные изменения, возникающие при изменении внешней среды, обозначаются термином «гомеокинез». Гомеостазом называют постоянство внутреннего* состояния организма; этот термин применяется обычно к тем физиологическим признакам, которые поддаются регулированию. Го-меокинезом называют постоянство жизненно важных функций, таких, например, как локомоторная активность и освобождение энергии, т. е. функций, обеспечивающих выживание в изменившейся внешней среде, иногда даже при изменившемся внутреннем состоянии. Таким образом, гомеокинез определенной функции может поддерживаться и в отсутствие гомеостаза.
При рассмотрении реакций на изменение среды обнаруживаются три основных этапа их развития. Во-первых, непосредственный ответ. Он связан либо со стимуляцией органов чувств, которые включают целую цепочку ответов, либо с прямым воздействием на процессы обмена веществ. Так, изменения ионного состава, температуры, содержания кислорода или состава пищи могут приводить к изменениям скорости протекания ферментативных реакций. Нередко, если условия внешней среды меняются слишком сильно или внезапно, как при резком охлаждении или нагревании, у животного сначала наблюдается скачок или серия колебаний уровня обменных реакций^ после чего устанавливается новый относительно стабильный функциональный уровень. Продолжительность прямого ответа или установления нового функционального уровня обычно измеряется минутами или часами.
Второй этап развития ответа животного на изменение окружающей среды может продолжаться несколько дней или недель. Это период акклимации, или компенсации, и степень физиологической приспособительной перестройки зависит здесь от степени изменения внешней среды и от генотипа животного. При сезонных изменениях компенсаторные реакции развиваются постепенно. Переход о г влажного сезона к сухому, слабые колебания солености в эстуариях, сезонные сдвиги температуры или изменения доступной пищи все эти факторы могут вызвать миграции или изменения гор-нального равновесия и половой активности. В лабораторных ус-виях компенсаторную акклимацию можно наблюдать на примере обрг00бРазных биохимических сдвигов, которые в конечном счете гппп?еЧИВаЮТ гомеокинез или поддерживают на определенном bhptttJ2 „энеРгетический баланс. Другой тип ответа на изменение ей среды заключается в том, что у животного вместо ком-
24 Введение
пенсации происходит изменение физиологического состояния, на-> пример наступает спячка, высыхание или преждевременное старение. В таких случаях животные переходят в состояние физиологической активности и покоя без истинной акклиматизации.
Еще один тип ответа на изменения внешней среды состоит в реакции органов, регулирующих внутреннюю среду, на соответствующие параметры окружающей среды. У таких организмов вторичные изменения, часто морфологические (например, возникающие при содержании птиц и млекопитающих на холоде), уменьшают затраты энергии в измененном состоянии, что приводит к метаболической и поведенческой акклимации.
Третий этап биологических реакций охватывает несколько поколений, т. е. время, необходимое для отбора генетических вариантов. Этот период может длиться многие годы — в зависимости от вида животного и от интенсивности воздействия факторов внешней среды. Эволюционные изменения в значительной степени подвержены влиянию биологических факторов, таких, как конкуренция, хищничество и групповые взаимодействия. Идентификация генетически закрепленных физиологических различий между популяциями и между близкими видами, обитающими в мало различающихся нишах или областях, позволяет сопоставлять их с экологическими и филогенетическими чертами. Это та изменчивость, которая слу-1 жит основой для видообразования.
В физиологической изменчивости каждого из этих трех периодов можно вычленить генетический и экологический компоненты. Прямые реакции, компенсаторные акклимации и длительные изменения имеют обычно различные клеточные механизмы. Для первого периода характерны непосредственные сдвиги в протекающих в организме химических реакциях под влиянием изменения таких факторов, как ионная сила, напряжение кислорода и температура. Во втором периоде вступают в силу обратные связи, действующие на синтез белка, на превращения кофакторов метаболизма и на мембранные структуры. В третьем периоде генетические изменения закрепляются путем изменения важнейших белков и функций нервной системы. Во всех трех периодах взаимодействия между средой и организмом имеют весьма сложный и тонкий характер. Такие взаимодействия являют собой пример биологического равновесия, иллюстрируя переход от макромолекул к целым организмам и к популяциям.
Очевидно, что идентификация физиологических изменений, возникающих в процессе взаимодействия организма и среды, и обнаружение молекулярных механизмов этих изменений — задача эко-1 логической физиологии. Понимание механизмов таких взаимодействий необходимо для построения теории возникновения и распространения жизни на Земле. Кроме того, экологическая физиология| создает рациональную научную основу для решения многих прак-| тических вопросов. Человек стоит сейчас перед необходимостью не-|
Введение
25
епывного увеличения пищевых ресурсов и перед проблемой защи-пр природы от разрушения. Для поддержания биологического равновесия между организмом и средой его обитания практическая Н ятельность человека должна опираться на понимание этих взаимодействий. Наши действия, связанные с регулированием физических условий окружающей среды, изменением почвы и воды, изменением географии с помощью дамб и каналов, с загрязнением среды промышленными отходами, — все это должно сопровождаться серьезным исследованием влияния деятельности человека на биосферу.
Распространение новых продуктов питания человека и новых средств биологического контроля над болезнями и вредителями также должно опираться на понимание характера физиологической адаптации затрагиваемых организмов. Таким образом, сравнительная экологическая физиология должна внести существенный вклад как в биологическую науку, так и в благосостояние человечества.
Сравнительная физиология поведения
Расширение ареала с помощью изменения поведения животных играет важную роль во всестороннем использовании ими окружающей среды, в освоении новых источников питания и новых экологических ниш. Различия в брачном поведении животных имеют большое значение в изоляции как истинных, так и зарождающихся видов. Первичный ответ на изменение внешней среды выражается обычно в поведении, что обеспечивается исключительной чувствительностью целого ряда органов чувств к специфическим раздражителям, или стимулам. Поведение в значительной степени запрограммировано в генетически закрепленных типах нейронных сетей. Однако эти последние способны изменяться в неких пределах, которые могут варьировать в зависимости от типа нервной системы. Эффекторные системы обеспечивают широкий диапазон- ответов на внешние раздражители — быстрое и медленное движение, изменение окраски, люминесценция или электрический разряд. Механизмы поведения, включающие как органы чувств, так и эффекторы, интегрирующие деятельность нервной и эндокринной систем, гораздо более изменчивы в мире животных, чем обменные процессы.
На клеточном уровне поведение формируется в основном за счет функционирования поляризованных клеточных мембран, элек-рических и химических взаимодействий между клетками, участия ократительных белков в движении и переходов одной формы энер-ии в другую. I оворя точнее, механизмы, используемые клетками, ' сзвычайно разнообразны, и именно в этой области физиологии твс)ЧеПИе специализиРованных структур оказывается весьма плодо-
рным. Так, например, природу нервных импульсов удалось по
26
Введение
нять в основном при исследовании гигантских нервных волокон. Сравнительная физиология ставит себе целью не только познание путей эволюции и распространения животных, но и изучение разнообразия их реакций на встречающиеся в обычных условиях -стрессовые воздействия. Специалист по физиологии поведения ищет различия в общих явлениях: например, в световой чувствительности разных типов фоторецепторов; в движении с помощью -быстрых и медленных мышц, с помощью ресничек и тока протоплазмы; в химической сигнализации с помощью нейросекреторных, синаптических и эндокринных клеток.
Одна из задач, стоящих перед биологией будущего, состоит в изучении типов центральной нервной системы. В какой степени и каким образом программируется поведение — генетически или в процессе индивидуального развития? Каков механизм изменений, возникающих в нервных центрах, в частности в процессе выработки разнообразных условных рефлексов? Один из подходов к изучению функций нервной системы заключается в наблюдении за поведением животных, другой — в изучении процессов, происходящих на клеточном и молекулярном уровнях. Сравнительная нейрофизиология объединяет эти два подхода (в качестве примера можно привести изучение деятельности нейронов у моллюска Aplysia). Значение таких исследований для науки о человеческом обществе, для медицины и для будущего цивилизации очевидно.
План изучения сравнительной физиологии
Реакция животного на сложные ситуации в окружающей среде не ограничивается изменением деятельности одного какого-либо органа или системы органов. Части организма взаимодействуют между собой, и целый организм имеет меньше степеней свободы, чем каждая из его частей в отдельности. Организм постоянно взаимодействует со своей микросредой, поэтому без учета всего диапазона таких взаимодействий он не может быть правильно описан. Свойства целостного организма несводимы к сумме свойств -его частей. Он обладает уникальными особенностями, которых лишена любая выделенная из него часть. Важно, таким образом, изучить связи и отношения между различными факторами окружающей среды и организмом и проанализировать их в терминах органной и клеточной физиологии. В настоящей книге мы намерены сначала описать реакции животных на определенные изменения окружающей среды, а затем рассмотреть их сенсорные, эффекторные и координирующие механизмы. Делается также попытка приблизиться к некоторым общим законам биологии, которые можно постичь, лишь оценив место, занимаемое каждым конкретным организмом на филогенетической лестнице.
Глава 1
Обмен воды: осмотический баланс, гормональная регуляция л. ПРОССЕР
Введение
Вода представляет собой важнейший компонент всего живого. Она является универсальным биологическим растворителем, той неизменной средой, в которой происходит большинство реакций клеточного обмена. Из всех компонентов внешней среды вода — наиболее важный для жизни компонент. Жизнь, несомненно, зародилась в водной среде. В ходе эволюции живой материи различные представители животного мира неоднократно выходили из воды на сушу; однако только некоторые группы животных смогли жить и развиваться вне водной среды. Каждая группа животных, покидавшая воду, по-своему приспосабливалась к жизни в воздушной среде— одна более, другая менее успешно. Из всех животных наиболее полно порвали связи с водной средой насекомые; лишь немно
гие из них возвращаются в воду на отдельных стадиях жизненного цикла. Все другие животные, включая птиц и млекопитающих, по крайней мере на стадии эмбрионального развития, сохранили свои связи с водной средой.
Одно из условий жизни животных заключается в сохранении в тканях организма строго определенного количества воды — не слишком большого, но и не слишком малого.
Само по себе количество содержащейся воды менее важно, чем ее концентрация (химическая активность), концентрация же воды лимитирует концентрацию растворенных в ней ионов, что исключительно важно для организма. Наземные животные должны сохранять и использовать ту воду, которую они получают с питьем; пресноводным животным приходится удалять из организма избыток воды для предотвращения чрезмерной гидратации; что касается морских и паразитических организмов, то одни из них находятся в осмотическом равновесии со средой, тогда как другие гипоосмо-тичны по отношению к среде, в которой они обитают, и для них представляется серьезной задачей поглощение воды в требуемом количестве. Содержание воды в различных средах обитания — от пресных вод до морей и соленых озер, от сырых болот до сухих устынь варьирует в значительных пределах; границы допусти-ых изменений концентраций жидкостей тела гораздо уже; отсю-*СЛеДует’ ЧТ0 ЖИВ0ТНЬ1е> по-видимому, снабжены специальными анизмами для регуляции осмотического баланса.
28
Глава 1
Физические аспекты
Свойства воды. Уникальный характер воды как растворителя, в котором протекают все биологические реакции, часто подчеркивался Л. Дж. Гендерсоном в его книге «Fitness of the Environment». Можно сказать, что это свойство воды создало условия для химической эволюции, которая привела к возникновению жизни. В диапазоне температур от 0 до 100 °C вода представляет собой жидкость; почти всюду на Земле, где встречается жизнь, господствуют температуры, колеблющиеся в этих пределах. Вода имеет очень высокую теплоемкость; это означает, что требуется добавить или отнять большое количество тепла, чтобы изменить ее температуру. .Для воды характерна большая величина скрытой теплоты испарения, поэтому испарение с поверхности прудов и озер происходит медленно. Испарение с поверхности тела протекает с потерей тепла. Вода в твердом состоянии (т. е. лед) имеет меньшую плотность, чем в жидком; ее плотность максимальна при 3,98 °C (для D2O максимум плотности отмечается при 11,23°C), т. е. при более высокой, чем точка замерзания, температуре [193]. Это свойство обеспечило развитие жизни в умеренных и приполярных регионах, тде зимой лед, менее плотный, чем вода, образуется только на поверхности водных масс.
Вода замечательна и тем, что хорошо растворяет электролиты и большинство органических неэлектролитов, а также кислород и двуокись углерода. В воде нерастворимы только неполярные соединения типа некоторых жиров. Растворимость неорганических солей зависит от водородных связей воды с ионами; освобождающаяся при растворении энергия используется для диссоциации солей на ионы. Кроме того, некоторые молекулы становятся ионизированными в результате гидратации; например, ионы водорода в воде присутствуют в основном в виде иона гидроксония (Н3О+).
Многие замечательные свойства воды обусловлены ориентацией ее атомов. Два атома водорода в молекуле воды расположены под углом около 105° по отношению к атому кислорода; межатомное расстояние О—Н равно примерно 0,95 А. Атомы водорода имеют по одному положительному, а атом кислорода — два отрицательных заряда; таким образом, молекула воды представляет собой электрический диполь. Дипольная молекула ориентирована обычно в направлении иона или заряженной группы на поверхности белково?! молекулы, обеспечивая этим ее гидратацию. Молекула воды образует водородные связи с многочисленными молекулами, имеющими отрицательный заряд; в твердом состоянии (в виде льда) молекулы воды связаны между собой водородными связями таким образом, что атомы кислорода расположены в вершине тетраэдра на расстоянии 2,76 А друг от друга. Энергия водородной связи очень мала — 5 кал/моль (по сравнению с 50—100 кал/моль в ковалентной связи), поэтому водородные связи довольно слабы. В находя-
Об воды: осмотический баланс, гормональная регуляция
29
„ в жидком состоянии воде имеется значительное количество щеИоподных связей, особенно в биологическом диапазоне темпера-В°п чем по-видимому, объясняется наличие ряда примечательных Особенностей в физических свойствах воды. В потоке все водородные связи рвутся. Статистическая неопределенность и непредсказуемость количества водородных связей и степени структурированности воды в растворах приводят к неопределенности в представлении о состоянии и количестве свободной воды в протоплазме. Измерения, проведенные с помощью ядерного магнитного резонанса, показали. что в тканях часть воды, находящаяся в структурированном состоянии, значительно больше, чем в обычной воде (в мышцах 27%). Количество свободной 'воды, или воды-растворителя, в противоположность связанной воде (или воде гидратной оболочки) варьирует в соответствии с содержанием белка; количество воды-растворителя меняется также и в зависимости от того, растворены ли в ней ионы или неэлектролиты. Подобным же образом точки замерзания биологических систем, богатых растворенным органическим веществом (которое образует многочисленные водородные связи), могут не соответствовать осмотическим характеристикам. Эти свойства помогают некоторым животным переносить состояние переохлаждения (см. гл. 9).
Коллигативные свойства растворов. Состояние воды в протоплазме не совсем понятно, но в первом приближении биологические жидкости можно рассматривать как разбавленные растворы. Содержание воды в растворе во внутренней или в окружающей животное среде еще не дает представления об истинной активности воды (т. е. об эффективной концентрации воды в термодинамическом смысле). Эффективные концентрации всех растворов, или осмотические концентрации, часто выражают в осмолях, т. е. в общем числе молей растворенных веществ на 1 л растворителя. Ос-моляльная концентрация определяется так называемыми коллига-тивными свойствами растворов. Это означает, что между всеми свойствами растворов, определяемыми общей концентрацией частиц, существует взаимозависимость. Так, чем выше концентрация раствора, тем больше осмотическое давление, снижение давления пара, повышение точки кипения и понижение точки замерзания раствора. Под осмотическим давлением подразумевается давление, которое необходимо приложить к раствору для предотвращения посгупления в него воды через полупроницаемую мембрану (т. е. меморану, пропускающую только растворитель). Строго полупро-шщаемые^мембраны встречаются в живых организмах очень редко (если воооще встречаются), иначе был бы невозможен обмен рас-гг Ве^Ь ,клетки практически никогда не омываются чистой дои) Но этой причине понятие осмотическое давление менее употребительно в биологии, чем осмотическая концентрация. гг 1СГС),Рия теории растворов начинается с наблюдений биологов. •Ц Спии физиолог растений Пфеффер в 1877 г. наблюдал, как из
30
Глава 1
меняется объем тычиночных волосков в растворах сахара разной концентрации; на основании этих наблюдений Вант-Гофф показал, что разбавленные растворы ведут себя подобно газам. Таким образом, осмотическое давление (л) равно осмоляльной концентрации (С), умноженной на газовую постоянную J? = 0,082 (л-атм)/(град-•моль) и на абсолютную температуру (Г):
Растворы л —CRT;
Газы Р=~ RT.
Ботаник де Врие нашел, что эквимолярные растворы солей имеют более значительное осмотическое давление, чем растворы сахара; исходя из этого датский физико-химик Аррениус сформулировал теорию электролитов. Для электролитов осмотическая концентрация превышает моляльную в i раз, где i — изотонический коэффициент; следовательно, для электролитов
n=iCRT.
Несмотря на то что в разбавленных растворах слабые электролиты полностью диссоциированы (как показывают измерения электропроводности), i меньше 2 для одновалентных солей и меньше 3 для солей, диссоциирующих на 3 иона. Это — следствие межионных взаимодействий; таким образом, величина i должна определяться эмпирически.
Водный раствор с концентрацией 1 осмоль замерзает при —1,86 °C; следовательно, понижение точки замерзания раствора (Азамерз) с концентрацией С равно —1,86 iC. Поскольку осмотическое давление (л) осмоляльного раствора равно 22,4 атм, то
= 12,06 А.
1 ,ОО
Практически осмотические концентрации обычно выражают либо в осмолях (или в миллиосмолях), либо через понижение точки замерзания, либо в эквивалентной концентрации NaCl (миллимо-ляльные концентрации). Приводим несколько величин для NaCl из таблиц Бюро стандартов:
NaCl, % Моляльность i А за мерз’
4,08 0,7 1,806 —2,38
2,92 0,5 1,81 —1,69
1,75 0,3 1,83 —1,02
1,17 0,2 1,84 —0,68
0,58 0,1 1,87 —0,34
Обмен воды: осмотический баланс, гормональная регуляция
31
Физические законы обмена между жидкостью и растворенным веществом
физиологически проблемы, касающиеся пассивного и активного „ступления ионов и воды в клетку, рассматриваются в многочисленных книгах по общей физиологии. Тем не менее мы приведем здесь несколько наиболее часто применяемых уравнений, которые помогут понять законы движения воды и ионов против градиента концентраций в организме животных, помещенных в различные условия [188]. Знаком / обозначим поступление, или скорость перемещения из одной точки пространства в другую.
Законы движения жидкости и растворенного вещества. Растворенное вещество может двигаться в растворе под влиянием нескольких сил; важнейшие из них — это градиенты (разности) химического потенциала, или концентрации, и электрического потенциала. При диффузии в каком-то направлении, в том числе через мембрану, движение растворенного вещества (/) описывается уравнением
т ____ дП[ dC , zF р dE\
«'общ— \jbr^r'RT'^~dx)'
градиент концентрации электрический градиент
(моль/смЗ \ (В/см)
см I
где Л — площадь (см2), D — коэффициент диффузии (см2/с), z— заряд раствореного вещества, F — число Фарадея (96,500 Кл/моль), R — газовая постоянная (8,314(В-Кл)/(град-моль)), Т—абсолютная температура (К), х— расстояние (см).
В таком виде это уравнение никогда не используют в биологических исследованиях, обычно его упрощают. Например, для случая с неэлектролитами, заряд которых равен нулю (z = 0), второе слагаемое в скобках превращается также в 0, и получается уравнение закона Фика
J „ —___дп dC
•'общ— AU dx .
Далее, если градиент концентрации между обеими сторонами мембраны линейный, т. е.
dC _ АС __ С2 — Ct dx dx х ’
где х толщина мембраны, тогда /общ=—~(С2—=
Ci), что позволяет оценивать проницаемость (Р) мем-ораны для испытуемых веществ.
ппрпДНаК° многие вещества, имеющие биологическое значение, Р дставляют собой ионы (т. е. заряжены, так что 2#=0), поэтому
Р ностыо потенциалов (Е) пренебречь нельзя. Кроме того, нам
32
Глава 1
редко бывает известна форма градиента концентрации, линейный же градиент встречается нечасто, особенно когда это касается ионов, движущихся через заряженные мембраны. Для таких более сложных ситуаций имеются и другие, менее распространенные решения уравнения диффузии. Одно из них, уравнение Гольдмана, используется для оценки проницаемости мембраны для ионов. Другое, уравнение Юссинга, служит критерием активного транспорта [360]. Как было показано, в этом случае если рассматривать не общий ток какого-то иона, а два ионных потока (однонаправленные токи), причем один ион переходит из компартмента 1 в компартмент 2, а второй — из 2 в 1, то
Л-»2 Сг /</- (Ei—Es) дТ е№
J 2->1 ^2 *
где Ем — разность потенциалов между двумя сторонами мембраны. Это значит, что если ион подчиняется уравнению диффузии, то отношение однонаправленных токов можно рассчитать из концентраций ионов и разности потенциалов между обеими сторонами мембраны. Если истинное отношение (измеренное с помощью метки) не согласуется с расчетной величиной, значит, имеет место активный транспорт. Можно сделать еще два упрощения. Для неэлектролитов 2=0, поэтому второй множитель в приведенном выше уравнении равен 1 и, следовательно, ожидаемое отношение токов будет равно отношению концентраций. Если в действительности система ведет себя не так, это означает, что имеется активный транспорт. Если система находится в состоянии равновесия (Л->2 = — Л-и), то отношение токов равно 1 и
(Е1-£2)=Е„=^-1п^-.
Это уравнение Нернста, которое, так же как и более общее уравнение Юссинга, применяется в качестве критерия активного транспорта ионов, но лишь в тех случаях, когда нет общего перемещения ионов из одного объема в другой.
При рассмотрении уравнения Нернста возникает вопрос о том, какие причины могут вызвать такое асимметричное распределение диффундирующих ионов при равновесии. Одна из таких ситуаций возникает в случае, когда по одну сторону мембраны находятся ионы, неспособные свободно диффундировать (например, белки, для которых мембраны непроницаемы). Если Na+ и С1~ диффундируют, а А-— нет, тогда распределение ионов будет, очевидно, таким:
Внутри (вн) Снаружи (нар) J
^а вн ^анар I
С1Бн бПнар
•^вн 1
Обмен воды: осмотический баланс, гормональная регуляция 33
Чтобы сохранить электростатическую нейтральность, Na„ap =Cl„ap, но Nbh = С1вн ДАЁн, следовательно, Ыавн=#С1Ён- Можно показать, когда такая система находится в равновесии, [ЫаЁн] • [CIЁн] =
4 ’ - N<H Cl~
= Г Na нар] • [Cl нар], ИЛИ= и это отношение не может
равняться 1. Таким образом, асимметричное распределение диффундирующих ионов может быть вызвано наличием недиффундирующих ионов по одну сторону мембраны. Это выражение называется уравнением Доннана, а само отношение именуется донна-невским отношением или распределением. Из уравнения Нернста следует, что при равновесии должна существовать разность потенциалов. Можно также показать, что общая концентрация растворенных веществ внутри (S(NaL +С1Ён+АЁн)) больше, чем снаружи (S (МаЁар+С1ЁаР) )• Как будет видно из дальнейшего, это следствие очень важно для установления осмотического равновесия.
Как уже говорилось выше, принятые для измерения концентрации единицы (молярность, моляльность) не вполне подходят для измерения химического потенциала воды. Однако, поскольку диффузия воды, так же как и растворов, происходит благодаря разнице в химических потенциалах, очень важно суметь оценить эту разницу количественно. Более подходящей мерой для измерения химического потенциала воды в растворе является осмотическое давление л, возникающее вследствие разницы в химических потенциалах между разными растворами (щ—л2 = Ал). Ток воды (осмос) пропорционален Ал:
•^осМ=^ААл,
где L—коэффициент осмотической проницаемости. Так как л = = cRT, то Ал=(с1—c^RT, где Ci и с2— общие концентрации растворенных веществ в компартментах 1 и 2. Для клетки, находящейся в состоянии, близком к доннановскому равновесию, общая внутриклеточная концентрация растворенных веществ превышает внеклеточную концентрацию; в вышеприведенном примере
2(NaBH ~+*С1Вн ~t~ АВн) 2(NaHap-t- С1нар),
поэтому здесь должны были бы происходить осмотический приток воды и разбухание клетки. Растительные клетки имеют жесткие целлюлозные ^оболочки, препятствующие разбуханию; благодаря этому в;, клетке развивается сильное внутреннее давление, называемое тургором; .когда.дургордое . давление равно Ал, клетка находится в состояиии .воднот'о-бдчанса.:- <
Бели в клетку-: поступает больше воды, чем можно ожидать, ис-°дя из учета физических сил, это значит, что имеет место актив-1и транспорт. Доказательствами активного транспорта могут Ужить и другие явления: например, потребность в дополнитель
1332
34
Глава 1
ной энергии, блокирование специфическими ингибиторами, конкурентное ингибирование сходными веществами. Обычно для сравнения эффективности нескольких систем активного транспорта измеряют количество вещества, поступившего из растворов с разной его концентрацией. Концентрация, при которой интенсивность транспорта равна половине максимальной, соответствует Ks для ферментативной системы и отражает состояние полунасыщения транспортной системы. Другой, часто применяемый метод заключается в измерении пороговой концентрации, необходимой для активации, или «запуска», механизма транспорта.
Выше мы рассмотрели движущие силы транспорта веществ через мембраны. Теперь необходимо остановиться на разнообразии способов этого транспорта. Движение через мембраны может происходить следующими путями.
1. Пассивный ток, например через поры при наличии концентрационного и электрического градиентов; скорость процесса рассчитывается исходя из концентраций и разности потенциалов в соответствии с приведенными выше уравнениями.
2. Обменная диффузия (пассивная) с помощью молекул-переносчиков, находящихся в мембране, которые в тех или иных местах пассивно связывают или отдают определенные молекулы, обеспечивая их обмен между объемами по обе стороны мембраны. Этот процесс оценивается количеством меченого вещества, поступающего в среду с соответствующим ионом и без него.
3. Активный транспорт, когда транспортная система расходует энергию и сам транспорт может происходить (но не обязательно) против градиента концентрации. Процесс измеряется разностью между общим поступлением вещества и пассивным его притоком.
4. Облегченная диффузия, когда переносчик соединяется с веществом и движется из области с высокими концентрациями этого вещества в область с низкими его концентрациями (например, перенос кислорода миоглобином).
Для измерения количества любого вещества, будь то ионы или вода, переходящего из жидкости тела животного во внешнюю среду и обратно, используют обычно радиоактивные изотопы. Более широкое освещение этого вопроса выходит за рамки настоящей главы, но один простой случай следует рассмотреть подробнее, поскольку он встречается часто и поскольку он показывает, каким образом применяются параметры такого транспорта. Предположим, что нас интересует передвижение какого-то иона из жидкости тела водного животного в окружающую среду и обратно. В начале эксперимента во внешнюю среду можно добавить известное количество изотопа этого иона, часть которого будет поглощаться животным. Если количество изотопа в среде обозначить как Снар» то скорость его исчезновения можно описать выражением
^наР__ т V ____ I Y (1)
jbii нар */наруувн’ '
35
Обмен воды: осмотический баланс, гормональная регуляция
f и j ______поступление ионов соответственно внутрь (вн) и
где «V (нар), а Хвн И Хнар — специфическая активность (т. е. от-НЗР ние концентрации меченых ионов к общей концентрации иссле-1ЮШых ионов 3*/<2общ). Когда животное находится в равновесном состоянии, 7вн = /наР; если измерения делаются гораздо раньше чем метка поступит внутрь организма, то лвн = 0. Уравнение (1) можно тогда переписать так:
^нар, у _ J вн г)# ИГ-—•/внАнар— QHap ’хнар»
что после простого интегрирования дает
_£вн_ Фнар
(2)
1п Фнар (t) _ _
Qiiap (0)
где Q нар (Лколичество радиоактивного вещества, обнаруженное за время измерения, а Фнар(О) — начальное его количество, добав-
•t =—kt,
(3)
lnQnap(t)
ленное в момент начала отсчета (нулевое время). Пока животное находится в равновесном состоянии, /вн и QHap будут постоянными; их отношение (/Вн/фНаР) также будет постоянным. Последнее, обозначаемое буквой k, называется константой скорости движения испытуемого иона.
Если необходимые для такого анализа условия будут строго соблюдаться (животное должно находиться в равновесном состоянии и замеры должны быть сделаны задолго до начала поступления изотопов), то оценка кинетики может быть вполне удовлетворительной. Некоторое количество изотопа добавляется в момент начала отсчета времени, берется серия проб и анализируется количество оставшегося изотопа. В логарифмических координатах строится логарифмическая зависимость этих величин от времени (рис. *'1). Прямая пересекает ось ординат в точке, соответствующей п ц/нар(о), а наклон кривой определяет константу скорости k.
ели QHap (общее количество ионов в среде) известно, то по-прг>ПЛеНИе ионов внУтРь (/Вн) можно рассчитать. Скорость такого э ^движения ионов обычно выражают через / или k. Иногда для и цели используют количество времени, необходимого для того, 3*
36
Глава 1
чтобы величина фнар снизилась наполовину от первоначальной («полупериод»,
Варианты этого метода касаются способа введения метки животному или заключаются в исследовании животного (вместо окружающей его среды) путем измерения радиоактивности его тела — целиком (с помощью счетчика для целого организма) или в образцах крови. Соответствующие уравнения по форме мало отличаются от уравнения (3), но дают возможность графически оценить k в пределах, в которых поддерживаются описанные выше условия. Например, если введенная животному метка обнаруживается во внешней среде, то
Qnap (t) ==Qnap (равн) (1 б ^), (4)
где фнар (равн)—количество радиоактивного вещества в среде в условиях равновесия. Если делается серия измерений и In (фнар(равн)— —Фнарщ) откладывается на графике против времени, то получается прямая с наклоном k.
Более сложная ситуация имеет место, если вещество распределено между внутриклеточной, внеклеточной и внешней средами. Они поддаются анализу, но этот анализ более сложен. Этот вопрос неоднократно разбирался в разных работах [Solomon А. К., Compartmental methods of kinetic analysis, in: Comar C. F., Bronner F. (eds.), Mineral Metabolism, Vol. 1, Part A, Academic Press, New York, 1960; Sheppard C. W., Basic Principles of the Tracer Method, John Wiley and Sons, New York, 1962; Robertson J. S., Theory and use tracers in determining transfer rates in biological systems, Physiol. Rev., 37, 133—154 (1957)].
Биологическое приспособление к осмотическим условиям окружающей среды
Изоосмотическими растворами называются растворы с равными осмотическими концентрациями. Изотоническим называют такой раствор, в котором клетка (или организм) не изменяет своего объема. Изоосмотический раствор вещества, отсутствующего в клетке, но способного в нее проникнуть, не будет изотоническим. Например, эритроциты в 0,3 М растворе сахарозы, для которого они непроницаемы, не изменяют своего объема, в то время как в изоос-мотическом растворе мочевины они набухают, так как мочевина проникает внутрь клетки, а за ней следует вода. Термин «изоосмотический» более подходит к растворам с равными осмотическими концентрациями, чем термин «изотонический». Подобным же образом раствор, осмотическая концентрация которого ниже, чем у данного раствора, называется гипоосмотическим, а раствор, осмотическая концентрация которого выше, — гиперосмотическим.
Почти у всех пресноводных и наземных растений благодаря их целлюлозным оболочкам и активным цитоплазматическим мембра-
Обмен воды: осмотический баланс, гормональная регуляция 37
концентрации клеточных компонентов, в частности вакуоляр-^ого сока, поддерживаются на более высоком уровне, чем концен-Нпации этих же компонентов в жидкостях, омывающих их ткани. Концентрация веществ, содержащихся в клетках, всегда выше, чем концентрация веществ, содержащихся в тканевых жидкостях. Следовательно, клетки находятся в состоянии тургора, так как защищены от набухания прочными клеточными оболочками. У растений, растущих в пустынях, разница между величинами осмотического давления клетки и внеклеточной воды может достигать почти 50 атм; у ксерофитов осмотическое давление больше, чем у мезофитов, росших с ними в одинаковых условиях, что свидетельствует о генетической природе этих различий. У животных нет неэластичных клеточных стенок и, хотя наружный слой геля цитоплазмы имеет некоторый тургор, концентрация веществ внутри клетки почти равна концентрации их во внеклеточной жидкости. Изолированные ткани, помещенные в изоосмотический солевой раствор, могут набухать, особенно при низкой температуре и недостатке кислорода; содержание воды в них увеличивается, но затем падает при возвращении к более высокой температуре и достаточному уровню кислорода. Это объясняется тем, что в условиях равновесия Доннана для поддержания осмотического равновесия нужна энергия. В таких процессах участвуют: 1) натрий-калиевый насос, поддерживающий концентрацию ионов внутри клетки на уровне, несколько меньшем, чем та равновесная величина, которая необходима для компенсации соответствующего влияния белков (охлаждение или аноксия останавливают этот насос, помогая ионам диффундировать вплоть до равновесия, а клеткам — поглощать ионы и затем набухать); 2) колебания внутриклеточной концентрации свободных аминокислот (особенно у морских беспозвоночных) , обеспечивающие осмотическое равновесие.
Содержание воды в тканях весьма различно и зависит от типа ткани, возраста, активности обмена и разнообразных окружающих условий. Содержание воды в мышцах обычно составляет 75—82%, в костях—35%, а в жировой ткани—10%. Медузы, состоящие на 95 и более процентов из воды, имеют более высокую осмотическую концентрацию, чем рыбы, содержание воды у которых составляет только 70%; однако последние содержат относительно больше органических веществ и меньше электролитов. Аналогичным образом плотность или удельный вес раствора не являются прямой функцией осмотической концентрации, но зависят от природы растворенных веществ, их концентрации, температуры и барометрического Давления.
Диапазон осмотических условий внешней среды, переносимых животными, довольно широк, допустимый же диапазон внутренних осмотических концентраций гораздо уже. Табл. 1-1 показывает, что Разнообразие условий окружающей среды образует непрерывный Ряд от очень мягкой пресной воды до воды соленых озер и от на
38
Глава 1
сыщенной влагой атмосферы до воздуха сухих пустынь, для биологических же жидкостей характерны только 20-кратные колебания осмотических концентраций.
Таблица 1-1
Характерные величины осмотических концентраций для водных сред и жидкостей тела животных и их связь с влажностью воздуха (выраженные в понижении точки замерзания)
Среда днар- °С1 Животные Двн- СС2
Пресная вода —0,01 Пресноводные мидии —0,08
<5°/оо Pelomyxa Пресноводные рыбы Лягушка Речной рак —0,14 От —0,50 до —0,55 —0,45 —0,82
Солоноватая вода 5—35% От—0.2 до —0,5 Эвригалинные беспозвоночные От —0,5 до —1,8
Морская вода 35% —1,85 Морские рыбы Морские беспозвоночные Морские акуловые От —0,65 до —0,7 От —1,8 до —1,85 От —1,85 до—1,92
Соленые озера 60—250 % о От—13,5 до—15 Морские креветки (Arte-mia) От —1,2 до —1,6
Влажная среда Земляные черви От —0,3 до —0,4
(относительная влажность 80— Личинки некоторых насекомых От —0,5 до —1,0
95%) Млекопитающие Взрослые насекомые От —0,5 до —0,58 От —0,8 до —1,2
Сухой воздух (от- Рептилии От —0,6 до —0,7
носительная влажность меньше 10%) Насекомые От —0,8 до —1,2
1 Точка замерзания среды.
2 Точка замерзания жидкости тела.
Океан является той средой, в которой возникли животные организмы. Со времени зарождения жизни общая эффективная осмотическая концентрация океана увеличилась очень немного. В мировом океане концентрация соли сейчас эквивалентна 3,5%-ному солевому раствору; в более мелких морях и заливах она несколько разведена вследствие притока пресной воды, а в эстуариях и устьях рек солоноватая вода смешивается с пресной. В морях типа Средиземного, где испарение очень велико, соленость выше, чем в океане. Разведение морской воды пресной выражают обычно в процентах морской воды, а соленость, или общее содержание солей,— в количестве частей на тысячу (°/оо). В среднем морская вода (100%-ная морская вода) имеет следующие показатели:' соленость— 34,5°/оо; Лзамерз=—1,88°С; удельный вес при 10°С—1,0215; содержание хлоридов— 18,8%0;_ осмоляльность— 1,01 [151].
Любую воду с соленостью менее О,5%о (Дзамерз< ~0,05 °C) можно считать пресной. Мы будем называть всякую воду, промежуточ-
Обмен воды: осмотический баланс, гормональная регуляция
39
ю между пресной и 30%о-ной, солоноватой; заметим, что экологи различают по крайней мере 4 промежуточных типа вод, для каждого из которых характерен свой биоценоз.
Животные и растения, приспособленные к узкой зоне солености, обычно к неразбавленной морской воде, называются стеногалинны-яи- те Же, которые устойчивы к различным соленостям, называются 'эвригалинными. Пределы устойчивости к изменениям солености у отдельных животных на разных стадиях жизненного цикла определяются их акклиматизационным опытом в пределах их генетических возможностей.
В процессе эволюции многие живые организмы сменили среду обитания (океан на пресную воду) и вышли из воды на сушу, причем некоторые из них вновь вернулись в водную среду. Все филогенетические типы и большинство классов животных имеют своих представителей, обитающих в морях; некоторые животные не покидали моря за всю историю своего развития, другие в него возвратились. Представители немногих филогенетических ветвей животных отважились перейти в солоноватые воды, и сравнительно мало животных сумело преодолеть трудности, связанные с осморегуляцией в пресной воде. Одни животные вышли на сушу прямо из океана, другие — через эстуарии и пресные водоемы. Многие группы морских, пресноводных и почвенных организмов перешли к паразитическому образу жизни. Распространение той или иной группы животных ограничено закономерностями, связанными с осмотическими свойствами среды. Об этом убедительно говорит ответная реакция животных на осмотический стресс.
Существует два крайних типа реакций животных на осмотический стресс. Животные могут быть осмотически лабильными, концентрация жидкостей их тела зависит от осмотической концентрации среды; это животные, лишенные осморегуляции (осмоконформеры). Другие животные осмотически стабильны, и при различном изменении среды их внутренняя концентрация остается относительно постоянной; эти животные являются осморегуляторами. К первому и второму типам животных часто применяют термины соответственно пойкилоосмотические и гомойоосмотические животные.
Между крайними случаями лабильности и постоянства осмотических свойств внутренней среды имеются промежуточные стадии. Кроме того, животное может быть осморегулятором в одном диапазоне концентраций среды и осмоконформером — в другом. Осмотические изменения могут вызывать прирост или убыль воды и связанные с ними изменения объемов организма; если при этом происходит перенос солей, и их концентрация у животного изменяется вместе с концентрацией в среде, то объем сохраняется постоянным. Животные, лишенные осморегуляции, переносят более широкие колебания внутреннего осмотического давления, в то время как осморегуляторы могут противостоять более широким колеба-иям концентраций внешней среды. Оба типа приспособления по-
40
Глава 1
могают поддерживать гомеостаз, т. е. позволяют сохранять жизненные функции в изменяющихся условиях.
Животные стремятся поддерживать «оптимальную» осмотическую концентрацию, соответствующую условиям окружающей их среды. Будучи помещенными в нормальные условия, они после периода обезвоживания поглощают воду, а после усиленной гидратации теряют ее, пока осмотическая концентрация не достигнет «оптимума» для данного животного [2]. Время восстановления нормального водного баланса может служить признаком, присущим конкретным видам животных. /Механизмы связанных с гомеостазом процессов гидратации и обезвоживания включают в себя множество звеньев: нервную и гормональную регуляцию, деятельность органов чувств, поведенческие акты.
Осмотическая лабильность клеток
Клеточный гомеостаз: активность воды и клеточный объем. Большинство морских беспозвоночных изоосмотичны по отношению к внешней среде; точно так же большинство клеток более высокоорганизованных многоклеточных животных изоосмотичны по отношению к межклеточной жидкости. Существует предел разведению жидкости, при котором протоплазма еще может выполнять свои основные метаболические функции. Организм или клетка, которые имеют оболочку, проницаемую лишь для воды (полупроницаемую), функционируют как простой осмометр: они набухают или сжимаются пропорционально концентрации растворенных в них веществ, т. е. не регулируют своего объема. Измерение объема яиц морского беспозвоночного животного или эритроцитов после установления равновесия при погружении их в морскую воду или в физиологический раствор разных разведений обнаружит в них (как и в осмометрах) следующее отношение:
Давление (л) • Объем (и) = Константа (/С).
Однако в действительности объем изменяется меньше, чем следует из этого простого уравнения.
По-видимому, определенная часть объема клетки осмотически неактивна (чем можно было бы объяснить это отклонение). Если ввести поправку на этот осмотически неактивный объем (6), то n(b^-b) =К. Осмотически неактивный объем составляет 7,3% пер-вЫМчаЛьгтойо клеточного объема неоплодотворенных яиц и 27,4% оШШа* оплодотворенных яиц: Arbacicr, для эритроцитов человека эта Величина равна 11%-'
Одно из возможных объяснений такого отклонения от предсказанного на основании расчета осмотического поведения заключается в том, что в клетке не вся вода выполняет роль растворителя. Возможность замораживания части внутриклеточной! воды без ка-
Обмен воды: осмотический баланс, гормональная регуляция 41
х-либо вредных для клетки последствий (см. гл. 9) согласуется К осмотическим доказательством того, что часть клеточной воды 5пг)Имерно 15—25%) находится в связанном состоянии в результате процесса гидратации. Однако в эритроцитах объем воды, служащей растворителем для ионов хлора [70] и для глюкозы [289], приближается к общему объему клеточной воды; в то же время осмотически неактивный объем (6) возрастает с уменьшением объема клеток. Объем воды — растворителя для ионов хлора — изменяется при изменении pH; это значит, что для поддержания равновесия Доннана хлориды могут в разной степени замещать гемоглобин как анион [70, 121, 283, 311, 312].
В поперечнополосатых мышцах лягушки объем линейно связан с осмотической концентрацией в интервале от 0,77 до 1150 моем [37]. Однако около 33% объема, или 13% клеточной воды, осмотически неактивно. Система трубочек (Т- и S-трубочки) составляет 11—18% клеточного объема, т. е. какая-то часть осмотически неактивного объема, по-видимому, заключена в трубочках [37]. Мышцы ракообразных имеют хорошо развитую систему трубочек, в которой вода и ионы могут быть изолированы друг от друга, так что в целом объем клетки во время осмотических стрессов не изменяется. Доля осмотически активной воды в мышцах составляет у лягушки 85%, у краба 87, у лангуста 78, у усоногого рака 66% [157]. В гигантских нервных волокнах кальмара или омара аксон набухает или сжимается сильнее, чем все волокно; оболочка образует мертвое пространство, составляющее 20—40% общего объема [117].
Таким образом, величина Ь, которая служит мерой отклонения реального набухания от теоретически предсказанного, сильно варьирует от вида к виду в соответствующих типах клеток. Величина b колеблется от 25—50% клеточного объема для икры морских ежей до 60—80% для икры амфибий и до 90% для икры осетра и аксолотля [388]. Наличие связанной воды объясняет отнюдь не все случаи отклонения реального, измеренного объема от теоретической величины, и, вероятно, какая-то часть воды, связанная с белком, может служить растворителем для небольших молекул и ионов.
Проницаемость для воды. Исходя из степени изменения объема, можно рассчитать осмотическую проницаемость для воды. Она будет равна объему воды, проникающей через единицу площади поверхности за единицу времени при данном осмотическом градиенте. Из скорости входа и выхода меченой воды (D2O или ТИО) рассчитывают константы скорости диффузионной проницаемости, табл. 1-2 приведены данные двух типов измерений, представленные, где это было возможно, в одних и тех же единицах. Из таблицы видно, что осмотическая проницаемость для воды самых Разных тканей значительно выше их диффузионной проницаемости, причем различия в скоростях свободной диффузии между D2O или
42
Глава 1
ТНО и Н2О недостаточны, чтобы объяснить различия в проницаемости [310, 311].
Таблица 1-2
Сравнение коэффициентов проницаемости, определяемых с помощью диффузии (Рдиф) И осмотического давления (Роем)1
Рдиф’ см/с Лэсм- см/с Р Л./Р диф' Осм
Эритроциты человека 3-10-3 7-Ю-з 2,3
Эритроциты быка 2,7-10-3 8-Ю-3 3,0
Эритроциты собаки 2,4-Ю-з 10,5-10-з 4,4
Амеба 0,023-Ю-з 0,037-Ю-з 1,6
Икра лягушки из полости тела 0,075-10-з 0,13-10-з 1,7
Икра Xenopus 0,09-Ю-з 0,159-10-з 1,8
Икра из ястыков перцины 0,068-Ю-з 2,93-10-з 43
Незрелая икра перцины 0,036-Ю-з 0,045-Ю-з 1,3
Икра из яичников лягушки 0,128-Ю-4 8,9-10-з 69
Амнион человека 3,62-10-4 3,7-10-2 102
Кожа лягушки (слегка колеблемая) 6,5-10~5 5,4-Ю"4 12
(сильно колеблемая) 11,1-10-5 1,2-10-5 0,108
1 Расчеты сделаны на основании данных следующих авторов: Paganelli С. V., Solomon А. К., J. Gen. Physiol., 41, 259—277 (4957); Prescott D. M., Zeuthen E., Acta Physiol. Scand., 28, 77—94 (1953); Villegas R. et al., J. Gen. Physiol., 42, 355—369 (Ц958), а также [25„ 82, 288, 3.11 и 312].
Одно из объяснений, предложенное для эритроцитов, состоит в том, что в них существуют наполненные водой каналы, свободная диффузия через которые ограничена [311, 312]. Другое объяснение^ основанное на проницаемости для воды кожи лягушки при разных скоростях перемешивания растворов, предполагает, что непереме-шиваемый вблизи мембраны слой воды препятствует свободной диффузии [82]. Это объяснение не подходит для эритроцитов [312]. В искусственных мембранах, изготовленных из липидов мозга, при надлежащем перемешивании не отмечалось разницы между диффузионной и осмотической проницаемостью. Однако в искусственных мембранах, имеющих высокие значения отношения концентраций холестерина и фосфолипида, проницаемость для воды (измеренная осмотически) была меньше, чем в мембранах с низким значением отношения этих компонентов [111].
Другая сложность состоит в том, что экзоосмос может не быть равным эндоосмосу. Так, степень набухания икринок морского ежа меньше, чем степень ее сморщивания. В эритроцитах же оба процесса .идут одинаково в почти изотоничном диапазоне.
У некоторых осмотически лабильных морских животных основные изменения в концентрации осмотически активных растворенных веществ, происходящие в гемолимфе и мышцах, осуществляются главным образом за счет увеличения или уменьшения количества небольших органических молекул; при этом концентрация
Обмен воды: осмотический баланс, гормональная регуляция 43
ионов сохраняется относительно постоянной (см. гл. 2). Когда европейская камбала мигрирует из морской воды в пресную, осмотическая концентрация ее плазмы уменьшается на 20%. Выделенные из крови камбалы эритроциты, помещенные в среду, также разбавленную на 20%, вначале набухают, а затем возвращаются к своему первоначальному объему; анализ показал, что регуляция объема обусловлена потерей нингидринположительных веществ [119]. В такой ткани нервная регуляция объема происходит путем изменения концентрации свободных аминокислот. Объем помещенного в разбавленный раствор нерва краба сначала увеличивается, а затем уменьшается благодаря потере аминокислот. В солевом растворе, изоосмотичном крови, нервное волокно пресноводного краба Eriocheir теряет часть свободных аминокислот, тогда как в более концентрированных солевых растворах концентрация свободных аминокислот в нерве увеличивается.
Еще одно доказательство существования некоторой регуляции объема в изоосмотических клетках усматривают в разнообразии форм клеток разных тканей и в том, что сферическая форма клеток встречается редко. Это явление можно в какой-то мере объяснить широким распространением относительно неэластичных оболочек, кортикальных покровов высокой вязкости и сократительных белков. Однако многие клетки специфической несферической формы, набухая в гипотонической среде, превращаются в сферические.
Эксперименты с различными растворенными веществами позволяют оценить диаметр пор, через которые могут проходить неэлектролиты (и вода). Коэффициент Ставермана о есть мера отклонения от полной проницаемости для данной молекулы. Если мембрана полностью проницаема для неэлектролита, как для воды, то сг=О; если мембрана полупроницаема по отношению к неэлектролиту, то 0=1. Сравнивая одновременные изменения объемов в растворах разных веществ, можно рассчитать самый малый диаметр, при котором молекулы уже не могут свободно проходить через мембрану, а следовательно, и размер «пор», необходимый для обеспечения полупроницаемости. Оцененный таким образом радиус пор в эритроцитах человека равен 3,5 А, коровы — 4,1 А, собаки — 7,4 А
*• J *
Считалось, что клетки некоторых тканей могут быть гиперос-мотичными (тургесцентными) по отношению к межклеточной жидкости. Однако точные измерения осмотических концентраций во внутри- и межклеточной жидкостях показало, что большинство клеток животных изотонично. Правда, в некоторых случаях внутриклеточное гидростатическое давление может создавать некоторую гипертоничность, но для практических целей можно принять, что осмотические концентрации в клетках и в межклеточной жидкости равны.
Таким образом, механизм регуляции объема и формы клеток не полне понятен, и большинство клеток ведет себя не как простые
44
Глава 1
осмометры; их поведение напоминает скорее поведение идеальных растворов. Проницаемость клеточных мембран меньше, чем отмечаемая при простой диффузии в большинстве растворов, и сильно варьирует от клетки к клетке. Различия между диффузионной и осмотической проницаемостью поняты еще не до конца.
Осмотически лабильные многоклеточные животные (осмоконформеры)
У большинства морских беспозвоночных осмотическая концентрация жидкостей тела (меж- и внутриклеточной) находится в пассивном равновесии с концентрацией морской воды, хотя общая осмотическая концентрация крови может быть — в силу равновесия Доннана — несколько выше, чем в среде. Иглокожие, сипункулиды, головоногие, асцидии и большинство кишечнополостных обитают только в настоящей морской воде (т. е. являются в высокой степени стеногалинными). Они приспосабливаются к среде только в узком диапазоне осмотических концентраций. Регуляция объема и ионного состава у этих животных выражена в разной степени. Все они регулируют ионный состав клеток и в меньшей степени состав внеклеточной жидкости. Ионная регуляция и осмотическая адаптация достигаются в основном за счет изменения концентрации азотистых органических молекул, тогда как содержание неорганических ионов поддерживается на весьма стабильном уровне.
Осмотические концентрации у морских медуз почти равны осмотическим концентрациям морской воды, в которой они обитают. Медузы относительно неустойчивы к разведению среды, а кораллы и гребневики могут переносить уменьшение солености на 20%. Кровь Ascidia и Molgula остается изоосмотичной по отношению к морской воде в условиях небольшого уменьшения или увеличения ее концентрации.
Иглокожие (голотурии, морские ежи [124] или морские звезды [35, 36]), перенесенные в разбавленную (до 80%) морскую воду, увеличивают вес своего тела за счет насасывания воды; перенесенные в сконцентрированную (до 110%) морскую воду, они теряют в весе, и по крайней мере в течение нескольких дней их объем не восстанавливается или восстанавливается очень медленно (рис. 1-2). Нижний предел солености для выживания морских звезд из Северного моря (где соленость 35%о) равен 23°/оо, а для морских звезд, обитающих в Балтике (где соленость 15°/оо),— 8%о [35, 36].
Биологические последствия осмотической лабильности при разбавлении внутренней среды могут быть весьма существенными. Балтийские морские звезды Asterias по сравнению с североморскими имеют мягкий интегумент, повышенное содержание воды, пониженную устойчивость к теплу и менее интенсивный обмен веществ. Asterias не размножается в Балтийском море, а находимые там популяции представляют собой часть популяций Asterias, раз-
Обмен воды: осмотический баланс, гормональная регуляция
45
жающихся в Северном море. У Asterias rubens около половины МН отической концентрации тканей обусловлено наличием свобод-°С]Х аминокислот и азотистого основания таурина. При переходе
Рис. 1-2. Объем тела морской звезды Asterias при разных разведениях морской воды [35].
(Печатается с разрешения Издательства Кембриджского университета.) фкрупные животные; ▲ мелкие животные.
животных от одной солености среды к другой в большей степени изменяется концентрация именно этих компонентов по сравнению с концентрациями солей в тканях [173, 206].
Морская вода 60%-ная морская вода
Азамерз среды —2,09 °C Азамерз жидкости тела —2,12 °C Азамерз жидкости желудочных выростов, —0,6°C обусловленная аминокислотами и таурином замерз жидкости желудочных выростов, —0,35 °C обусловленная другими азотистыми компонентами онцентрация в жидкости желудочных выростов г уРин 3,9 ммоль/100 мл лицин 17,3 ммоль/100 мл —1,23 °C —1,24 °C —0,32 °C —0,30 °C 2,2 ммоль/100 мл 9,5 ммоль/100 мл
Черви-сипункулиды набухают и сморщиваются, подобно осмо-пРичем осмотически неактивный объем их составляет око-/о. У Golfingia объем не регулируется, а у Dendrostomum
46
Глава 1
происходит выведение солей через кишку и особенно через нефридии; через 4—6 дней пребывания в разбавленной среде происходит частичное восстановление их объема [177]. Клетки стенки тела Golfingia содержат 550 мМ свободных аминокислот, а целомическая жидкость — 80 мМ. При уменьшении солености резко уменьшается концентрация аминокислот, что препятствует избыточному вводнению и набуханию без потери ионов [364]. Сипункулида
Рис. 1-3. Изменения во времени веса тела сипункулиды Themiste в морской воде разных разведений {258].
а— 139%-ная морская вода (М. В.); б — 111%-ная М. В.; в — 98%-ная М. В.; г — 89%-ная М. В.; д — 80%-ная М. В.; е — 49%-ная М. В.
В точках, отмеченных стрелками, червей возвращали в 98%-ную М. В. Регуляция объема отсутствует.
Themiste — это осмоконформер; концентрация хлоридов в целомической жидкости при помещении его в концентрированную среду не изменяется, а при помещении в разбавленную уменьшается. Он свободно набухает в разбавленной среде и незначительно сморщивается в концентрированной [258] (рис. 1-3).
Плоский червь Gunda (его новое название — Procerodes) ulvae живет в приливной зоне, где он дважды в день попеременно по нескольку часов находится либо в пресной, либо в неразбавленной морской воде. В мягкой водопроводной воде Procerodes быстро на-
Обмен воды: осмотический баланс, гормональная регуляция
47
бухают держащей
I
* у
i f ч
(Астаеа), отмечается воды в целом теле, а солености (в течение объема. В полости его буфера, приспособлен-
и в течение 48 ч погибают; в разбавленной морской или со-_'-ч[ много кальция проточной воде процесс набухания за-Др дляется. Присутствие в воде других веществ (помимо солей альция) не предотвращает набухания [373]. Когда Procerod.es аходится в разведенной морской воде, вода проходит через его паренхиму, которая при этом набухает, затем собирается в вакуоли в эктодермальных клетках, выстилающих кишечник. Таким образом, объем тела поддерживается на относительно постоянном уровне, другие же клетки тела предохраняются от чрезмерной гидратации. Вакуоли сохраняются, пока червь находится в разведенной морской воде, но они не увеличиваются в объеме благодаря какому-то активному процессу.
Морские моллюски относятся также к осмоконформерам с разной степенью стеногалинности. Так, головоногие могут существовать только в условиях полноценной солености. Некоторые из без-раковинных брюхоногих (голожаберные и первичножаберные, такие, как Doris и Onchidium) набухают в разбавленной или сморщиваются в концентрированной морской воде с одновременной незначительной регуляцией объема в течение многих часов. У других видов (например, Aplysia) ограниченная регуляция объема сопровождается увеличением или падением концентрации солей.
У моллюска, называемого «блюдечком» линейная зависимость между содержанием также в мышцах и соленостью: изменение недели) не сопровождается изменением его тела содержится нечто вроде осмотического ного для быстрых изменений; эти изменения весьма существенны в концентрированной среде и невелики в разбавленной [372].
В ответ на изменение солености может изменяться и поведение. Так, повторное прикрепление «блюдечка» к субстрату удается лишь в ограниченном диапазоне разведений. Улитка, например Hydrobia, обитающая в солоноватых водах, будучи в активном состоянии, быстро изменяет концентрацию своей крови, а в неактивном (находясь в раковине) проделывает это гораздо медленнее. Она сохраняет изоосмотичность при всех концентрациях среды [10]. Lit-torina выживает в разбавленной морской воде или на воздухе в зависимости от того, насколько плотно закрыта ее раковина. У Aplisia спонтанная электрическая активность специального нейрона висцерального ганглия уменьшается, когда разбавленная морская вода соприкасается со специфическими осморецепторами осфрадиума, побуждая моллюска к поведению, нацеленному на избавление от действия вредящего фактора.
Если двустворчатых моллюсков, таких, как Crassostrea, Modio-Us и Mytilus, перенести в разбавленную морскую воду, створки их Раковин надолго закроются, что даст им возможность выжить, так Как при этом их гемолимфа разбавляется очень мало, если вообще Разбавляется. Если же створки открыть, то произойдет увеличение
48
Глава 1
веса тела и быстрое разбавление гемолимфы. Эти моллюски могу? регулировать объем своего тела только в условиях малых разведи ний воды; при сильном разведении у них в течение двух дней не удалось обнаружить регуляции. Только такие виды моллюсков, как Mytilus, могут жить в морской воде, разведенной до 50% [268] (рис. 1-4). Различия в устойчивости к солености среди разных ро> дов коррелируют с условиями их естественного обитания [362].
Рис. 1-4. Изменения во времени веса тела моллюска Modiolus (при открытых створках раковины) i[269].
Животные были перенесены из нормальной среды (соленость 36%о) в среды с различной соленостью. Некоторое восстановление объема отмечено при 27%о;
А3%о; + 27°/оо; 48%о.
Тщательные измерения осмотических концентраций жидкостей у нескольких моллюсков обнаружили слабый градиент осмотической концентрации, соответствующий эффекту Доннана в следующем ряду: морская вода<мантийная жидкость<перикардиальная жидкость<гемолимфа. Жидкость каждого органа может иметь более высокую или более низкую по сравнению с внешней средой концентрацию, тогда как в гемолимфе концентрация всегда на некоторую постоянную величину выше, чем в морской воде [267]-Если створки раковины Modiolus открыты, то в разбавленной солевой среде объем регулируется в сторону уменьшения внутренней
Обмен воды: осмотический баланс, гормональная регуляция
49
тической концентрации — за счет потери аминокислот; в кон-°СМтцированной морской воде объем регулируется очень слабо и цеНтом за счет потери воды. При различных концентрациях внеш-ПР? среды кровь всегда остается на 20 моем более концентрирований чем морская вода (т. е. адаптация происходит, но с сохране-н ’ равновесия Доннана) [268]. Когда Mytilus приспосабливает-Ня к различной солености, то основные изменения в концентрации
Рис. 1-5. Концентрации небелковых азотистых веществ (нингидринположительных компонентов, НПК) и таурина в жидкости тела у мидии Mytilus при разных уровнях солености [205]. #НПК; X таурин.
внутри клеточной жидкости и отчасти гемолимфы происходят скорее за счет малых органических молекул, чем за счет солей. Рис. 1-5 показывает, что уменьшение или увеличение осмотической концентрации в мышцах в основном обусловлены нингидринпо-ложительными веществами (аминокислотами и особенно таурином) [205]. У некоторых двустворчатых моллюсков (Rangia [5] и Муа) сначала изменяется соотношение между концентрацией свободных аминокислот и общей осмотической концентрацией, потом может измениться концентрация таурина. В замыкательной Мышце у Муа концентрации аланина и глицина пропорциональны солености среды [365]. Таким образом, осмотическая адаптация Осуществляется путем поддержания относительного постоянства йонных концентраций во внутренней среде животных.
4—1332
50
Глава 1
В солоноватых водах, например в Балтике, Mytilus потребляет больше кислорода, чем в нормальной'морской воде (в Северном
Рис. 1-6. Относительная активность ресничек в жабрах мидий, обитающих в Балтийском и Северном морях и адаптированных к солености среды 15 и 30%. (Тид, см. [185]).
Измерения производились в широких пределах колебания солености. Первоначальные различия, имевшиеся между двумя популяциями, были в значительной степени изменены на обратные с помощью перекрестной акклимации.
море); сердечная деятельность, активность ресничек и теплоустойчивость в разбавленной морской воде снижаются [299]. Скорость фильтрации уменьшается как при повышении, так и при понижении солености, и пределы этих изменений в популяциях, оби-
Обмен воды: осмотический баланс, гормональная регуляция 51
»ощих в Балтийском и в Северном морях, различны. Однако пос-та* у_.jo дней перекрестной акклимации максимум фильтрации у
Лрвероморских животных обнаруживается при меньшей солености, а у балтийских — при большей, чем первоначально [349] (рис. 1-6). По-видимому, различия в условиях оптимальной солености у разных популяций не закреплены генетически. Пределы разведения, в которых еще сохраняется активность жаберных ресничек, также характеризуются видовыми различиями. Так, у Aquipecten жабры теряют активность при солености морской воды, равной 12—15°/оо, а у Modiolus и Crassostrea — равной 3—4°/оо [362].
Некоторые полихеты, например Arenicola marina, Nereis-pela-gica и Perinereis cultrifera, обладают осмотической лабильностью и слабо регулируют объем или не регулируют его вовсе. Внутриклеточная концентрация в мышцах Arenicola регулируется с помощью изменений концентрации свободных аминокислот, подобно тому как это имеет место у Mytilus [98].
Осмотические свойства морских ракообразных и паукообразных отчасти подобны свойствам видов, обитающих в солоноватых водах. Глубоководные крабы, такие, как Maja, могут прожить лишь несколько часов в морской воде, разбавленной более чем на 20%. Помещенный в 80%-ную воду краб сначала набухает, затем в течение трех часов его вес падает, и кровь становится изоосмотичной среде. Множество других морских ракообразных ведет себя подобным же образом — Palinurus, Portunus, Cancer antennarius, Hyas и Pagurus. В то же время Libinia не выживает в морской воде, разбавленной более чем до 90—95%. Homarus изоосмотичен среде и выделяет изоосмотичную мочу, которая отличается от гемолимфы своим составом. Морской желудь Balanus balanoides закрывает свою раковину на воздухе или в разбавленной (до 50%) морской воде и открывает ее лишь при погружении в нормальную морскую воду. Планктонный рачок Arartia tonsa, хотя и является осмотически лабильным, сохраняет небольшую гиперосмотичность по отношению ко всем концентрациям внешней среды, по-видимому, за счет эффекта Доннана [203]. Подобным же образом королевский краб Paralithoides поддерживает осмотическую концентрацию гемолимфы почти на 15 моем выше любых возможных концентраций среды [225]. У мечехвоста Limulus кривая, описывающая изменения отношения внутренней осмотической концентрации к наружной, при концентрациях, меньших чем концентрация морской воды, проводит несколько выше изоосмотической линии. Как у Paralithoides, так и у Limulus изменения в осмотической концентрации крови связаны с изменением концентрации солей, а в мышцах Limulus — с изменением концентрации аминокислот, гомарина и других азотистых веществ [2Ю].
Таким образом, осмотически лабильные морские беспозвоночные не находятся в абсолютной зависимости от внешней среды. Их ответы на осмотические изменения гомеокинетичны; их биоло
4*
52
Глава 1
гическая активность может осуществляться в ограниченном диапазоне колебаний внутренней осмотической концентрации. Многие из этих животных могут до некоторой степени регулировать свой объем путем поглощения или выделения солей. У животных-конформеров часто изменения концентрации солей значительно менее заметны, чем изменения концентрации небелковых азотистых веществ, чаще всего аминокислот, особенно в мышцах и нервах; следовательно, осмотическая концентрация может изменяться сильнее, чем ионная. У некоторых эвригалинных видов концентрация жидкости тела изменяется параллельно концентрации внешней среды, но всегда несколько превышает последнюю, т. е. в этих случаях поддерживается не постоянство внутренней концентрации, а постоянство различия с внешней средой. Некоторые осмоконформеры обладают запасами жидкости для забуферивания клеток. Другие животные стараются избегать попадания в разбавленную среду. Регуляция ионного состава, по-видимому, более существенна для организма, чем регуляция объема; последняя же в свою очередь более значима, чем регуляция осмотической концентрации.
Ограниченная гиперосмотическая регуляция
Адаптация к солоноватым водам
Некоторые типы и классы, состоящие в основном из морских организмов, включают отдельные роды, обитающие в солоноватых и пресных водах. У нереид (полихет) способность регулировать объем тела и устойчивость к разведенной среде повышается в ряду: Perinereis cultrifera, Nereis vexillosa<Nereis pelagica<Neanthes virens <Nereis diversicolor, Nereis succinea, Leonereis culveri<Ne-reis limnicola, Neanthes lighti [332]. Первые три вида относятся к морским стеногалинным формам; Neanthes virens может регулировать свой объем при концентрациях до 3—8%, а в лабораторных условиях выдерживает соленость ниже 1°/оо (т. е. 1,4%-ную морскую воду или воду, содержащую 2—4 мМ Cl). Leonereis culvert выдерживает концентрации ниже 10 мМ Cl, a Nereis limnicola может жить и размножаться в пресной воде [256, 257, 328, 329] (рис. 1-7). Распространение Nereis diversicolor в Финляндии, по-видимому, ограничено его малой устойчивостью к разведенной морской воде при низких температурах, к чему его личинки более чувствительны, чем взрослые черви.
В разведенной морской воде N. diversicolor остаются гиперос-мотичными, но они не в состоянии сохранить при этом концентрацию крови на том уровне, на котором поддерживают ее, находясь в морской воде. При переносе этих животных в разведенную морскую воду поглощение ими кислорода вначале увеличивается (частично благодаря сопротивлению мышц набуханию). Осмотическая регуляция и регуляция объема в разведенной воде у них от-
Обмен воды: осмотический баланс, гормональная регуляция 53
тсТВуют, если к воде добавлен цианид, резко снижено содержаще кислорода или отсутствует кальций.
ВИ С помощью изотопных методов было показано, что обмен нона-хлора со средой и проницаемость для воды у N. virens значи-Щльно больше, чем у N. diversicolor, а проницаемость для ионов
Регуляция происходит в пределах изменений концентрации от 20 до 180 мМ С1_.
натрия у N. cultrtf era гораздо выше, чем у N. diversicolor. При помещении N. diversicolor в очень разбавленную морскую воду проницаемость ее для ионов и воды снижается по сравнению с обычной м°рской водой [175]; при этом N. diversicolor всей поверхностью тела активно абсорбирует из среды ионы хлора. В морской воде v- diversicolor обычно обменивает около 8% содержащихся в теле ионов хлора в 1 ч [175]. В дистиллированной воде скорость потери солей у succinea больше в 2,5 раза, а скорость набухания (осмотическое насасывание) — в 4 раза, чем у N. limnicola. Измерен-
S4
Глава 1
лая с помощью поглощения D2O проницаемость для воды у N. succinea и N. limnicola оказалась одинаковой и независимой от осмотического градиента [328]. Диффузионное поступление оказалось более значительным, чем можно было ожидать, основываясь на осмотическом набухании. У особей N. limnicola, собранных в пресных водах верховьев рек, почечные канальцы имеют диаметр 20,8 мк тогда как у червей из солоноватых участков вблизи устья реки .диаметр почечных канальцев равен 8,5 мк [174]. У N. limnicola размножение тоже приспособлено к разведенной морской воде-— они живородящи в отличие от червей морских и солоноватых вод, которые выделяют икру и сперму [329, 332]. Ниже представлены величины, характеризующие потерю солей и поступление воды в юрганизм животных четырех видов, помещенных в дистиллированную воду [328]:
Потеря солей, мМ/ч Увеличение объема в 1 ч, % Район
Морской N. succinea 0,068 55 Киль
Морской N. succinea 0,039 57 Беркли
Солоноватоводный N. diversicolor 0,0129 24 Киль
Пресноводный N. limnicola 0,0086 10 Сан-Франциско
JV. limnicola из залива Сан-Франциско подвергается сезонным колебаниям солености воды от почти пресной до 85 %-ной морской; ему свойственна хорошая регуляция объема, и передвижение солей у него происходит медленнее, чем ток воды. Сравнение проницаемости для солей у животных, предварительно адаптированных к 49 и к 3—5%-ной морской воде и перенесенных затем в более концентрированную среду, обнаружило, что у особей, адаптированных к более низкой солености, она заметно ниже. Очевидно, акклима-ция вызвала какие-то изменения в клетках [256, 257]. При переносе разных видов полихет в разбавленные среды их приспособление к новым условиям начинается с перехода аминокислот из тканей в целомическую жидкость [64]. N. diversicolor относится к обитающим в солоноватых водах полихетам, которые могут переносить •очень сильные разведения. Они активно поглощают ионы хлора против градиента концентрации из среды с 20 мМ С1—, особенно если предварительно выдерживались в пресной воде (т. е. при концентрации менее 10 мМ С1_). Пассивная проницаемость для воды и ионов хлора при этом уменьшается, в то время как активное поглощение ионов хлора увеличивается. Разность потенциалов между двумя сторонами стенки тела равна —17,3 мВ в прудовой воде» —3,7 мВ в 10%-ной и 0 — в 50%-ной морской воде. Обмен воды через стенку тела (измеренный с помощью D2O) падает с 12,53 /о ©сей воды тела за 1 ч в морской воде до 5,9—6,9% за 1 ч — в прУ'
Обмен воды: осмотический баланс, гормональная регуляция 55
вой. Однако зависимость между концентрацией хлоридов в среде ^потерей хлора и воды с мочой не является линейной: максимум й выделения с мочой наблюдается в 10%-ной морской воде ^62 мМ С1-). Это может быть связано с очень резким падением проницаемости для воды при более сильных разведениях среды и
Рис. 1-8. Зависимость концентрации ионов хлора и объема мочи у Nereis diversicolor от солености среды '[332].
Соленость среды выражена через концентрацию ионов хлора. Объем мочи и потери ионов хлора максимальны при низких концентрациях CI- в среде. I — общее количество выделенных С1-; II — количество мочи (правая ордината); III — потеря С1~ при изотоничной моче; • V ~ расчетное число ионов С1~, выделяющихся с мочой. Разведение морской воды указано приблизительно.
кальция и магния в целомической жидко-
максимальным уровнем Де 332] (рис. 1-8).
Концентрации ионов__________ ________ _______________
сти N. diversicolor оказываются меньше, чем можно было бы ожи-Дать, исходя из электрохимического градиента. Поток кальция про-°Рционален уровню солености среды, а не только концентрации альция в ней. Поглощение кальция, измеренное с помощью ме-ttbix атомов, происходит в два этапа следующим образом:
поглощения хлора в 10%-ной морской во-
56
Глава 1
В 100%-ной морской воде
В 1 % -ной морской воде
Быстрый обмен
«7=4,3 ммоль/кг
Л/г=8 ч
«7=0,62 ммоль/кг
Ти =22 ч
Х/2
Медленный обмен
«7=0,8 ммоль/кг =50 ч
«7=0,62 ммол/кг
Г, =300 ч
1/2
Следовательно, быстрый обмен кальция уменьшается при разведении среды, так же как и обмен ионов хлора и воды.
Итак, разные виды нереидных червей различаются между собой следующими особенностями адаптации: устойчивостью личинок к разбавлению, проницаемостью для воды и солей, активным поглощением ионов, особенностями выделения через почки и способом размножения.
Эвригалинные виды, как, например, N. diversicolor, в зависимости от солености среды могут регулировать свою проницаемость для воды и солей, а также уровень активного поглощения ионов.
Ракообразные: морские, солоноватоводные, пресноводные и наземные
Среди ракообразных разнообразие всевозможных типов осмотических адаптаций выше, чем среди любых других групп животных. Многие из них являются стеногалинными, осмотически ла-
Рис. 1-9. Зависимость осмотической концентрации крови Двн от осмотической концентрации окружающей среды Анар У нескольких морских ракообразных.
I— Carcinus; II — Hemigrapsus; Ш " Maj а.
бильными формами и обитают только в 100%-ной морской воде-Некоторые (особенно прибрежные крабы) способны сохранять гй-перосмотичность в разбавленной морской воде, хотя при повышенной солености они становятся изоосмотичными или даже гипоосмо-тичными. Как показано на рис. 1-9—1-12, существует большое различие в способностях взрослых форм поддерживать осмотическую концентрацию в гемолимфе более высокой или более низкой, чем
Обмен воды: осмотический баланс, гормональная регуляция
57
окружающей среде. Некоторые ракообразные большую часть жизни проводят на земле и в морской воде тонут. Жаброногие рач-ки-артемии живут в сверхсоленой воде и замечательны своей спо-
рис. 1-10. Зависимость осмотической концентрации крови Двн от осмотической концентрации окружающей среды Анар у нескольких ракообразных с гипер- и гипоосмо-тической регуляцией.
I — Uca;; II — Pachygrapsus; 111 — Erio-cheir; IV — Palaemonetes.
A Рис. 1-11.
coalКонЧентрация крови,, выраженная в единицах относительной проводимости, как функция
КонцрОСти сРеды для осмотическая
чентрацня кровн А н как’ функция солености для-, Gaj^iarus;-<duebefii-,- адаптированного к 7 (III) и 20 °C (7V)- ’
^бностью к гипоосмотической регуляции. У некоторых крабов и йодХ Речных раков жизненный цикл целиком проходит в пресной
58 Глава 1
Гиперосмотическая регуляция; заселение эстуариев; прибрежные крабы
Крабы Carcinus, обитающие в Балтийском море, более гипер. юсмотичны по отношению к среде с соленостью 5—10°/оо, чем Caret, nus, обитающие в Северном море; в условиях же более высокой солености они ведут себя одинаково. Эти различия между двумя популяциями, обусловленные частично генетическими причинами,
ОЬСидкость тела, мосМ
Рис. 1-12. Осмотическая концентрация крови |(светлые кружки) и мочи (чеРй^. кружки) у животного-осмоконформера (Callianassa) и у животных с ограни'1 ной осморегуляцией (два вида Upogebia) [352]. с.
j _ Upogebia pugeitensis; II — Upogebia offinis; III — Callianassa californiensis; IV — i'30 мотичность.
Обмен воды: осмотический баланс, гормональная регуляция
59
частично влияниями среды, уменьшаются после перекрестной ак-климации [350].
Голубые крабы Callinectes во взрослом состоянии живут в пресой воде, особенно если она содержит много кальция, как, напри-мер в верхнем течении реки Св. Джона во Флориде. Однако для оазмножения они должны спускаться к устью реки, и потому некоторые из них могут не оставить потомства. Их личинки — зоеа — поглощают воду в период линьки и могут быть очень чувствительными к разведению среды. Крабы Rithropanopeus поддерживают гиперосмотичность с момента вылупления, но на пятый день после превращения в зоеа они становятся осмотически лабильными; затем перед линькой с превращением в мегалопу они вновь обретают способность поддерживать гиперосмотичность. Callinectes всю жизнь сохраняют гиперосмотичность, за исключением 48-часового-периода личиночной стадии [76]. Таким образом, эти виды могут-всю жизнь существовать в разбавленной морской воде, кроме кратковременного личиночного периода, который они должны проводить в морской воде. Libinia изоосмотичны при вылуплении, затем: у них развивается способность к гиперосмотической регуляции,, впоследствии утрачиваемая. Поэтому Libinia должны обитать в море [176]. Некоторые десятиногие раки полностью перешли в пресную воду, где проходит весь их жизненный цикл, в том числе и размножение.
Температура вместе с соленостью влияют на регуляторные способности некоторых крабов и определяют характер миграций у креветок и десятиногих раков. Callinectes может поддерживать свою гипоосмотичность только при высоких температурах: летом он может жить в сверхсоленых лагунах. При низких температурах концентрация его гемолимфы выше, чем при высоких температурах; зимой она превышает концентрацию воды как с низкой, так и с высокой соленостью [12].
У Hemigrapsus oregonensis зимой концентрация крови также выше, чем летом, а у Н. nudus таких колебаний нет [90]. Личинки Halicarcinus australis погибали в воде при температуре 30 °C и любой солености; однако их выживаемость достигала почти 100% при температуре 25°C и концентрации ионов хлора, равной 6,4—12,1%, при 19 °C и концентрации ионов хлора, равной 6,4—19,3%, и при
и концентрации ионов хлора, равной лишь 12,4% [220]. Очевидно, что в естественных условиях осмотические концентрации у м°рских ракообразных, населяющих эстуарии, зависят в одинаковой мере как от температуры, так и от концентрации среды.
Проницаемость для воды и ионов. Одно из важнейших условий Поддержания эвригалинности заключается в пониженной прони-Диемости поверхности тела для воды и солей; так, прибрежные Рабы менее проницаемы для этих веществ, чем стеногалинные ^орские крабы. Например, пелагический краб Maja восстанавлива-м свой нормальный объем после первоначального набухания в раз
60
Глава 1
веденной морской воде гораздо быстрее, чем прибрежный краб Cancer. Приводимые ниже константы скорости обмена меченой воды, выраженные в ч"1, демонстрируют уменьшение проницаемости в следующем ряду [296]:
Macropipus (Portunas) в морской воде 2,39
Carcinus в морской воде (или в 70%-ной морской воде) 0,79 Palaemonei.es в 120 и 70%-ной морской воде 0,64
в 10 %-ной морской воде 0,55
Astacus в пресной воде 0,20
Подобное же свидетельство пониженной проницаемости в разведенной среде можно видеть и на примере круговорота воды у Carcinus [330, 331].
Среда морская вода (разведение)
30% 75% юо%
Суточное поступление воды (в % от веса тела) 17,2 11,5 0
Суточный объем мочи (в % от веса тела) 31,3 11,1 3,6
Процент воды организма, обмениваемой за 1 ч 1,76 2,73 2,36
При установлении равновесия в данной среде поступление равно выделению. Осмотическое передвижение воды можно оценить, исходя из объема мочи, выделяемого в различных средах; как правило, осмотический поток превышает величину, получаемую при измерении с помощью меченой воды. Проницаемость для воды морских крабов больше, чем это наблюдается у видов, обитающих в солоноватых и пресных водах; морские крабы не могут изменять свою проницаемость, как это делают пресноводные формы. Вода внутренней среды у Carcinus и Macropipus в осмотических процессах ведет себя как система, состоящая из двух компонентов. У Macropipus быстрообменивающийся компонент составляет 70% всей воды тела [296] (рис. 1-13); у Rhithropanopeus пассивный при-
Среда
морская вода (разведение)
160% 100% 60%
Пассивный приток 814 495 234
Активное поглощение —• — 158
Потери с мочой 6 14 91
Пассивные потери 749 485 91
Активное выделение 59
Обмен воды: осмотический баланс, гормональная регуляция
61
ток D2O в разбавленной среде меньше, чем в нормальной морской воде [331].
В разведенной среде уменьшается проницаемость не только для воды, но и для солей, как видно, например, из данных для Pachy-grapsus (в мкэкв Na/20 г веса краба в 1 ч) [296] (см. нижнюю таблицу на стр. 60).
У Hemigrapsus nudus пассивное поступление ионов натрия равно 20 мкмоль/(г-ч) в нормальной и только 3,9 мкмоль/(г-ч) — в
35 %-нои морской воде. У Pachygrapsus в морской воде в период между линьками обмен натрия протекает со скоростью 20 мкэкв/г-ч. При этом весь обмениваемый натрий также подразделяется на две порции и около 15% всего количества натрия в организме не обменивается. На стадии мягкого незатвердевшего панциря обмен идет в г 4 раза быстрее, чем меж-ду линьками. В основном обмен осуществляется че-
Рис. 1-13. Проницаемость для воды (в порядке убывания) у осмоконформера (Macropipus) умеренного регулятора (Carcinus) и пресноводного ракооб-
разного (Astacus) [296].
Измерено по количеству тритированной воды, оставшейся у краба через разные сроки после Удаления его из меченой среды. 1 — Astacus; II — Carcinus; III — Macropipus.
Время, ч
рез жабры и совсем не происходит через карапакс. Таким образом, виды, которые могут жить в солоноватых водах, имеют меньшую проницаемость для воды и ионов, чем строго морские виды; когда первые переходят* из концентрированной среды в разведенную, их проницаемость уменьшается. Особенности мембран, обусловливающие эти изменения проницаемости, пока еще неизвестны.
Выделение. Второе качество, способствовавшее заселению солоноватых вод, заключается в способности к увеличению объема и Разбавлению мочи. В морской воде моча Carcinus может быть либо Изоосмотичной, либо слегка гиперосмотичной, либо гипоосмотичной
62
Глава 1
по отношению к гемолимфе. Она участвует главным образом в ионной, а не в осмотической регуляции. В разведенной морской среде моча гипоосмотична по отношению к гемолимфе и, следовательно, участвует в осморегуляции; тем не менее она остается более концентрированной, чем окружающая среда. У Carcinus выведение мочи с 3,6% веса тела за день в условиях обычной морской воды увеличивается до 33% веса тела за день в 40 %-ной морской воде
Рис. 1-14. Электронная микрофотография клеток жабр краба Callinectes (любезно предоставлено Коллендом).
Внизу — поверхность кутикулы; вверху — гемолимфа с гранулярной основной мембраной» Г—аппарат Гольджи; ПД — перегородчатые десмосомы.
[315]. Потери натрия с мочой составляют 2,7% общего его выделения в морской воде и 21 %—в 40%-ной морской воде. Каждая антеннальная железа у Carcinus является выделительным органом, состоящим из целомического мешка, через который может идти фильтрация канальцевого лабиринта и пузыря. Соотношение концентраций в моче и крови (моча/кровь) для нереабсорбируемых веществ (вроде инулина или сорбитола) в морской воде равно 1» что свидетельствует об отсутствии поглощения воды после фильтрации.
Обмен воды: осмотический баланс, гормональная регуляция
63
Глюкоза активно реабсорбируется до достижения пороговой концентрации в крови, равной 150 мг%; если же реабсорбцию затормозить флоридзином, то отношение моча/кровь для глюкозы станет близким к 1. В 50 %-ной морской воде образование мочи увеличивается в 4 раза, а реабсорбция глюкозы возрастает лишь вдвое [34].
Омар Homarus относится к осмотически лабильным формам, у которых внутренняя осмотическая концентрация на небольшую постоянную величину превышает наружную; моча у них изоосмотич-на крови, а ректальная жидкость слегка гиперосмотична [84]. у Hemigrapsus nudus потери натрия с мочой равны 0,95 мкмоль/(г-ч) в 100%-ной морской воде, а в 30%-ной составляют 4,49 мкмоль/(г-ч) [282]. Отношение моча/кровь для хлора равно 1,26 в изоосмотической среде и 1,63 в гиперосмотической, что говорит о более быстрой по сравнению с хлором реабсорбции воды из жидкости канальцев. В гипотонической же среде отношение моча/кровь для хлора составляет 0,64; это означает, что здесь реабсорбция хлора идет быстрее, чем реабсорбция воды.
Итак, у морских животных моча выводится в меньшем количестве, чем у эвригалинных форм и у животных, обитающих в солоноватой воде; пресноводные животные, как правило, выделяют меньше мочи, чем прибрежные крабы, посаженные в пресную воду. Eriocheir, мохнаторукий краб из Западной Европы, является исключительно эвригалинным, и объем его мочи при изменении концентрации среды изменяется очень мало; осморегуляция осуществляется за счет малой проницаемости и активного поглощения солей жабрами. Ниже приводятся данные о норме потерь натрия с мочой у следующих видов [317]:
Потери Na с мочой, мкмоль! (100 г-ч}
Carcinus Eriocheir Potamon Astacus
1782 в морской воде
20 в солоноватой воде
80 в пресной воде
15 в пресной воде
Активное поглощение ионов. Третий и очень важный механизм осмотической регуляции в разведенной среде—-это активное поглощение ионов натрия и хлора, главным образом жаберными мембранами. Если Carcinus поместить в разведенную среду, он теряет соли; по достижении в крови критической концентрации натрия начинается мобилизация аминокислот из тканей и активное поглощение натрия из внешней среды [33]. Механизм активного поглощения натрия насыщается наполовину при концентрации 20 мМ Na в среде. Активация зависит от внутренней концентрации натрия [315, 316]; поглощение начинается, когда концентрация натрия в крови падает примерно до 400 мМ и достигает максимальной скорости (насыщения) при 300 мМ. Если концентрация натрия в кро-
64
Глава 1
ви Carcinus падает с 10 до 30 мМ, его поглощение возрастает в 13 раз. У Hemigrapsus активное поглощение натрия стимулируется в 50 %-ной морской воде.
Краб Callinectes активно абсорбирует соли из разведенной среды, о чем свидетельствуют участки жабр, легко окрашиваемые серебром. Эти окрашенные участки гораздо больше и ярче у животных, живущих в разведенной солоноватой или пресной воде; их клетки между складками или выростами со стороны, соприкасающейся с гемолимфой, содержат длинные плоские митохондрии (рис. 1-14). Строго морские виды не способны к активной абсорбции солей. Сравнение представителей разных родов по тем концентрациям натрия в среде, которые необходимы им для полунасыщения процесса поглощения, показывает, что у форм, обитающих в солоноватых водах, вроде Carcinus, насыщение происходит в средах с более высокими концентрациями, чем у пресноводных форм.
Корреляция между транспортом натрия и экологическими условиями проявляется следующим образом [316]:
Среда, вид животного Na крови, мМ Потери, мкМ/(ч -50 г) Наружная концентрация для полунасыщения системы поглощения, мМ
Морской Carcinus Eriocheir, обитающий в солонова- 300 280 891 102 20 1,0
той воде Gammarus duebeni, обитающий в со- 1,5
лоноватой воде Пресноводный Astacus Пресноводный Gammarus pulex 184 7,5 0,2—0,3 0,15
Разность потенциалов между наружной и внутренней средами организма. С проницаемостью и активным транспортом ионов через жабры связано возникновение электрических потенциалов, обнаруживаемых, например, между кровью и внешней средой интактных животных или между поверхностями изолированных жабр. Кровь интактного Callinectes обнаруживает по отношению к нормальной морской воде некоторую электроотрицательность, увеличивающуюся при разведении этой воды до 50%; по сравнению же со 150 %-ной морской водой кровь электроположительна. Замена хлорида среды сульфатом или ацетатом изменяет ситуацию на обратную, что говорит об активном поглощении хлоридов в разбаВ" ленной среде [234]. Поглощение ионов жабрами Callinectes можно замедлить с помощью уабаина или замены некоторого количества натрия литием. Подобным же образом гемолимфа Pachygrapstis имеет отрицательный потенциал 3 мВ в 80%-ной, 2 мВ в 100%_ной и 1 мВ в 140 %-ной морской воде [296]. У стеногалинного морского краба Libinia потенциалы не бонаружены даже в 90 %-ной морской
Обмен воды: осмотический баланс, гормональная регуляция
65
воде, т. е. при том максимальном разведении, которое он еще переносит; скорее всего, у этого краба отсутствует механизм активного транспорта. У креветки Palaemonetes потенциал минимален в среде, изоосмотичной крови (50—65%-ная морская вода), и более отрицателен в случаях, когда среда концентрирована в большей или меньшей, чем кровь, степени. Это объясняется тем, что хлориды активно поглощаются в разбавленной среде, а натрий активно выделяется в концентрированной среде [275]. По-видимому, ионы хлора и натрия участвуют в образовании потенциала в различных соотношениях у разных животных. Между наружной и внутренней стенками жабр Maja, у которого ионный обмен протекает пассивным путем, никакого потенциала обнаружено не было; однако у Carcinus внутренняя поверхность жабр оказалась слабоположительной, когда NaBH = NaHap, и отрицательной, когда Na вн <NaHap [184].
Чтобы установить, имеет ли в данном случае место активное поглощение натрия, применили анализ соотношения потоков ионов внутрь и наружу (см. стр. 31). Разности потенциалов между обеими поверхностями стенки жабр у Maja и Carcinus оказались близкими к нулю во всем применявшемся диапазоне разведений морской воды. Следовательно, если ион диффундирует пассивно, то Лш/Лир должно равняться Свн/Снар. Приводимые ниже данные указывают на то, что в ряду разведенных сред, где отношение Свн/^нар уменьшается, у Carcinus активное поглощение имеет место, а у Maja — нет [184]:
NaBH/NaHap 1,0 0,76 0,4 0,2
Maja, /внМнар 1,0 0,76 0,38 0,19
Carcinus, «/вн/7нар 0,95 0,90 0,70 0,60
Обмен веществ. В разведенной среде эвригалинные ракообразные (Carcinus, Gammarus, Locusta или Uca) поглощают больше кислорода, чем в нормальной морской воде. Часть этих повышенных энергетических потребностей связана с активным поглощением ионов и образованием разведенной мочи. У других ракообразных, таких, как Ocypode и Palaemonetes, поглощение кислорода возрастает как при уменьшении, так и при повышении солености морской воды, а метаболизм у третьих, например у Eriocheir, от солености не зависит [185]. Поглощение кислорода митохондриями, выделенными из жабр краба, в разведенной среде повышается, причем такое повышение выражено больше в митохондриях крабов, живущих в солоноватой воде, чем в митохондриях морских крабов. Это явление может явиться результатом набухания митохондрий, которое идет и in vivo [183]. Поглощение ионов жабрами Callinectes уменьшается под действием уабаина или натриево-ли-тиевой среды, т. е. этот участок обмена веществ связан с транспортом натрия [234].
5—1332
66
Глава 1
Изменения содержания аминокислот. Ранее уже упоминалось о том, что осмотические изменения (особенно тканевые) у многих осмотически лабильных организмов обусловлены в большей степени сдвигами в концентрациях аминокислот, чем движением неорганических ионов. Если Carcinus перенести в разведенную среду, то концентрации аминокислот в его мышцах уменьшатся, а в крови увеличатся. Отношение моча/кровь увеличивается следующим образом [33]:
Среда
морская вода пресная вода
Свободные аминокислоты в мышцах, мМ. 271 160
Свободные аминокислоты в крови, мМ. 5,6 2,4
Сравнение креветок (Leander) из 30 и из 100%-ной морской воды показало, что осмотические концентрации в крови и тканях у животных из нормальной морской воды на 30% выше. Содержание аминокислот в мышцах этих животных также было больше на 23%, чем у креветок из разведенной среды (ср. с различием в 300% между осмотическими концентрациями двух сред [173]). У Eriocheir мышечные концентрации аланина, глутаминовой кислоты, пролина и глицина (но не аргинина) были больше при обитании в морской воде, чем пресной. Аммиак в морской воде также выделялся в меньшем количестве, чем в пресной, что свидетельствует о процессах синтеза аминокислот, имеющих место при обитании в морской воде [ИЗ]. После пребывания краба в течение 46 дней в пресной воде (последовавшего за пребыванием в морской воде) концентрация аминокислот в его мышцах уменьшалась на 41% [363].
Поведение. У некоторых ракообразных, живущих в эстуариях и на литорали, адаптивное поведение может играть важную роль в выборе определенной солености воды. Например, Pachygrapsus, помещенный после адаптации к значительной солености в условия, где есть градиент концентраций, предпочитает выбирать пониженные концентрации; для особей, адаптированных к разведенной среде, характерен противоположный выбор. У африканского морского краба Jasus на антеннулах имеются рецепторы, возбуждаемые разведенной морской водой. Розовые креветки Penaeus, которые вылупляются в морской воде, а на личиночной стадии входят в эстуарии, на послеличиночной стадии держатся в прибрежных водах с низкой соленостью. Они могут воспринимать градиент концентра-
Обмен воды: осмотический баланс, гормональная регуляция
67
пии равный 1%. Когда позже их молодь возвращается в море, лир'уже обладает положительным реотаксисом только к высокой солености [169].
Гаммариды — эвригалинные оюивотные
У представителей рода Gammarus, куда входят морские, солоноватоводные и пресноводные виды, можно найти примеры взаимодействия самых разнообразных механизмов осмотической регуляции. Некоторые виды приспособлены лишь к узкому диапазону солености, другие же проявляют исключительную эвригалинность.
Рис. 1-15. Зависимость осмотической концентрации крови от осмотической концентрации морской воды у 4 видов гаммарид -[376].
О Marinogammarus finmarchicus; ф Gammarus occanicus; □ Gammarus tigrinus; Gammarus fasciatus.
Морские виды рода Gammarus в разбавленной среде осуществляют гиперосмотическую регуляцию; эта регуляция прекращается у них пРи более высоких концентрациях, чем у видов, обитающих в солоноватых и пресных водах (рис. 1-15). Характер осмотической регуляции у морского вида G. locusta и обитающего в солоноватых во-Дах вида G. duebeni резко отличается от наблюдаемого у пресно-в°Дных видов G. pulex и G. lacustris. Gammarus duebeni (встреча
5*
68
Глава 1
ются в Черном море, в пресных водоемах Англии и в теплых источниках Исландии) переносят значительные изменения солености и температуры воды. Температурная адаптация и устойчивость к солености взаимно связаны таким образом, что в условиях оптимальной солености (от 8 до 20%) организм устойчив к крайним температурам; предельные же солености (высокая или низкая) переносимы только при оптимальных температурах (4—16°C), а для гиперосмотической регуляции низкая температура благоприятнее, чем высокая [184а]. У G. duebeni содержание натрия в гемолимфе уменьшается с 230 до 175 мМ при переходе из среды, содержащей 6 мМ, в среду, содержащую 0,5 мМ натрия. В течение двух часов после помещения его в разведенную среду начинается образование гипоосмотической мочи, хотя кровь за это время еще не успевает сильно разбавиться. Следовательно, стимуляция разведения мочи не может достигаться только концентрацией крови [213—216]. В морской воде моча изоосмотична крови, и 80% натрия выводится с мочой. В разведенной среде объем мочи увеличивается, а концентрация ее уменьшается, т. е. выделительные органы препятствуют потере натрия. В пресной воде у G. pulex моча более разбавлена и меньше подвержена изменениям в связи с условиями внешней среды, чем у G. duebeni. Экскреторные канальцы у G. duebeni длиннее, чем у морского G. locusta. У G. pulex при концентрациях Na ниже 0,2 мМ 82% Na теряется благодаря диффузии, а 18% выводится с мочой [344].
Подобно крабам, морской вид Marinogammarus finmarchicus более проницаем для воды и солей, чем виды солоноватых вод G. zaddachi и G. tigrinus [344]. Другой эвригалинный равноногий рачок выделяет гипоосмотическую мочу в среде с концентрацией 20% или изоосмотическую мочу в среде, более концентрированной. В крови концентрации Na, К, Са и С1 выше, a Mg значительно ниже, чем в окружающей среде [242].
Важное различие между видами рода Gammarus состоит в их способности поглощать натрий. У эвригалинного G. duebeni процесс поглощения прекращается при более высоких внешних концентрациях, чем у пресноводного G. pulex. У G. lacustris активность этого процесса достигает половины максимальной его скорости (т. е. Км) при внешней концентрации натрия, равной 0,14 мМ, а у G. duebeni Км находятся между 1,5 и 2,5 мМ натрия [344]. Если внешняя концентрация натрия уменьшается, то активное поглощение его из среды и реабсорбция в органах выделения увеличиваются. Механизм чувствительности и природа регуляции активного поглощения через мембраны еще не выяснены, но они, вероятно, различны у разных видов и изменяются при акклимации отдельных особей.
Итак, разнообразные виды адаптаций позволяют морским ракообразным осваивать эстуарии и в большей или меньшей степени вторгаться в пресноводные водоемы. Адаптация частично основана
Обмен воды: осмотический баланс, гормональная регуляция
69
генетической базе, а частично вызывается модифицирующим влиянием среды.
Дичинки более чувствительны к разбавлению среды, чем взрослые животные, причем их чувствительность повышается при крайних температурах. Адаптация, обеспечивающая гиперосмотичность животного, проявляется в наличии ограниченной и изменяющейся проницаемости для воды и солей; выделении обильной разбавленной мочи; активном поглощении ионов; существовании градиента потенциалов между наружной и внутренней поверхностями жабр; использовании аминокислот для забуферивания осмотических сдвигов и, наконец, в адаптивном поведении.
Гипоосмотическая регуляция
Освоение суши и очень соленых вод. Некоторые ракообразные, обладающие гиперосмотической регуляцией, способны и к гипо-осмотической регуляции, т. е. они могут поддерживать концентрацию своей крови на более низком, чем концентрация среды, уровне. Полученные для них кривые «кровь — среда» обнаруживают в определенных пределах концентраций более или менее четко выраженные плато (рис. 1-16). У некоторых ракообразных, обладающих гипоосмотической регуляцией, жидкости тела в норме менее
Рис. 1-16. Зависимость осмотической концентрации сыворотки от солености среды у трех видов сухопутных крабов [145].
величины выражены в процентах морской воды. / — Cardlsoma; II — Varuna; III — Se-sarma; IV — изоосмотичность.
'О
Глава 1
концентрированны, чем морская вода; часть из них живет в гипер-галинных озерах, а многие проводят немало времени на суше. Солоноватоводные виды каляноидных веслоногих рачков способны как к гиперосмотической, так и к гипоосмотической регуляции, пресноводные же виды обладают только гиперосмотической регуляцией.
Крабы, обитающие в приливно-отливной зоне и на суше. Многие крабы, немало времени проводящие на суше, могут сохранять свою гипоосмотичность. Pachygrapsus crassipes живет среди скал выше линии низкого прилива; в концентрированной морской воде он обнаруживает слабую гипоосмотическую регуляцию. Скрипучий краб Uca подолгу находится на воздухе среди песка и ила. Он хорошо поддерживает свою гипоосмотичность и защищен от высыхания. Во время длительного пребывания на воздухе концентрация его крови увеличивается в меньшей мере, чем концентрация крови скальных крабов, таких, как Hemigrapsus. Краб пальмовый вор Birgus, обитающий в южных районах Тихого океана, способен к гипоосмотической регуляции только в крайних, создаваемых в эксперименте условиях, в норме он — обитатель суши и может даже утонуть в морской воде. Birgus пьет пресную воду и заполняет ею свою жаберную камеру без погружения в воду [144]. У Uca, живущего в 100 или 175%-ной морской воде, моча может быть несколько гиперосмотичной по отношению к крови.
Подсушенный краб Pachygrapsus, погруженный в 140%-ную морскую воду, активно поглощает ее всем телом. На воздухе он может выделять ее в жаберные камеры. У Pachygrapsus и Uca, помещенных в 175%-ную морскую воду, концентрация магния в моче гораздо выше, а натрия ниже, чем у тех же организмов, со-'держащихся в 100%-ной морской воде; при этом у них наблюдается экстраренальное выделение натрия. Отношение моча/кровь для кальция и магния и общая осмотическая концентрация у наземного краба Cardisoma характеризуются следующими величинами [145]:
Среда
водопроводная вода морская вода 150%-ная морская вода
Са 0,42 0,47 0,42
Mg 1,93 4,4 15,7
Осмотическая концентрация 0,99 0,99 0,99
У Cardisoma, Sesarma, Pachygrapsus и Uca концентрации Mg в моче и ее осмотическая концентрация в гиперосмотической среде увеличиваются, чего не отмечали у наземного Gecarcinus, очень хорошо приспособленного к жизни на суше. У наземных крабов
Обмен воды: осмотический баланс, гормональная регуляция 71
потеря воды совершается главным образом через покровы тела; краб Potamon на воздухе теряет воды меньше, чем насекомые, и меньше, чем речной рак. Функциональное значение имеющейся у наземных крабов способности к гипоосмотической регуляции неясно. Было высказано предположение, что такая регуляция представляет собой адаптацию к испарению из жаберной камеры. Однако объем жаберной воды составляет менее 3% объема тела, поэтому соли, содержащиеся в ней, не должны были бы оказывать сильного влияния на кровь. Степень гипертоничности мочи очень невелика, и она может быть связана с активным выделением магния через антеннальные железы. У довольно значительной группы крабов, обитающих в условиях, сильно различающихся между собой, отношение осмотических концентраций моча/кровь близко к 1. Сюда относится Cancer, обитающий на сублиторали; Hemigrapsus, встречающийся от солоноватоводных до гипергалинных водоемов; полуназемный Pachygrapsus-, ночной, живущий среди песка Осуро-de; дневной, населяющий заиленные пески Uca; почти исключительно наземный Gecarcinus [144]. Способность к регуляции содержания натрия в крови и ее осмотической концентрации теряется при высоких температурах; в концентрированной морской воде Uca и (Jcypode погибают при 30 °C [125].
Для наземных крабов характерна способность к адаптации, связанной с дыханием, сохранением воды и поведением. Кровь Coenobita изоосмотична 80 %-ной морской воде и моче, которая образуется в небольших количествах. Обычно этот краб ночью ненадолго заходит в море, чтобы смочить жабры [144]. Gecarcinus обитает во влажном песке, откуда он может поглощать воду, но он гибнет, если песок смачивается морской водой. Gecarcinus имеет большие снабженные множеством мембран перикардиальные сумки, которые помогают поддерживать высокую влажность в жаберной камере и наполняются водой перед линькой, обеспечивая краба водой на стадии мягкой оболочки панциря [39]. Гормон центральной нервной системы, тормозящий линьку, в промежутках между линьками уменьшает или ограничивает набухание, возникающее при линьке [39]. Передняя кишка Gecarcinus между линьками хорошо проницаема для воды и солей; если удалить у него глазной стебелек, то кишка теряет свою проницаемость, которую, однако, можно восстановить введением экстракта торакального ганглия [233]. Gecarcinus будет пить воду, если она доступна; вода из песка благодаря капиллярным силам поступает по пучкам волосков, имеющимся между вторыми и третьими ходильными ногами, к перикардиальным сумкам, где она может сохраняться или поступать в жаберную камеру. Отсюда она может поглощаться Жабрами. Таким образом, перикардиальные сумки сохраняют воду и обеспечивают водоснабжение при линьке. Сами жабры невелики, а Жаберные камеры частично могут быть заполнены воздухом (38, 40].
72
Глава 7
Поведение наземных крабов обусловлено в основном зрительными и слуховыми ощущениями. При высоких температурах, например в полдень, эти крабы скрываются в норах. Основная потеря воды за счет испарения происходит через наружные оболочки. Кутикулярная проницаемость возрастает в следующем ряду видов: Gecarcinus < Cardlsoma < Uca<Sesarma< Callinectes < Menippe [156].
Рис. 1-17. Зависимость осмотической концентрации крови от солености среды у креветки Crangon при 5 и 15 *43,
Гиперосмотическая регуляция идет лучше в холодной, чем в теплой среде [114]. / — кровь при 5° С; // — кровь при 15° С; III— внеклеточная концентрация.
Креветки, морские креветки (артемии), некоторые равноногие раки. Способность .к гипоосмотической регуляции обнаружена у многих креветок и десятиногих раков, отдельные виды которых мигрируют между морем и солоноватыми водоемами. Европейский десятиногий рак Palaemonetes varians в норме изоосмотичен 65 %-ной морской воде, т. е. гипоосмотичен по отношению к нормальной морской воде. Как в более разведенной, так и в более концентрированной морской воде у него усиливается образование мочи. У Crangon из Балтийского моря устойчивость к повышенной и пониженной солености максимальна при 5 °C, однако в солоноватой воде при температуре замерзания он погибает. Пересекающиеся осмотические кривые «кровь — среда» у Crangon и Gamma'
Обмен воды: осмотический баланс, гормональная регуляция
73
duebeni наглядно показывают, что в условиях низкой солености
5 °C концентрация крови у них выше, чем при 15 °C, а в условиях высокой солености имеет место обратная картина [114] /рис. 1-17)- Из двух видов креветок у Syncaris в разбавленной спеде образуется гипоосмотическая моча, а у Palaemon моча и кровь как в разведенной, так и в концентрированной морской воде изоосмотичны.
В нормальной морской воде Palaemonetes varians гипоосмоти-чен а его моча изоосмотична крови. Важное значение внепочечной регуляции демонстрируют следующие данные (в мэкв) [276]:
Морская вода
100%-ная 65%-ная 2%-ная
Na среды Na крови С1 среды С1 крови Константа скорости поступления Na, ч-1 Константа скорости выделения Na, с"1 Обмен Na, ммоль/(кг-ч) Обмен С1, ммоль/(кг-ч) Потенциал (отрицательный), мВ 460 328 540 342 1,25 1,09 150 50 13—40 73,5 20,7 7—10 (50%-ная морская вода) 18 28,2 11—32
В 100%-ной морской воде происходит активное внепочечное выделение Na, благодаря чему кровь делается электроотрицательной и поддерживается равновесие хлоридов в организме. В 2%-ной морской воде активно поглощаются хлориды, что также обеспечивает электроотрицательность; при этом происходит активное поглощение некоторого количества натрия. При концентрациях морской воды, меньших чем 2%., регуляция прекращается. Artemia прекрасно приспосабливается к воде Большого Соленого озера, соленость которой равна 22О%о- Она может жить и в солеварнях, гДе хлористого натрия так много, что он выпадает в осадок. Вместе с тем она выживает и в морской воде, разбавленной до солености 2,6%о. Ее потребность в солях удовлетворяется в основном за счет NaCl. При солености среды, равной 58%о, осмотическая концентрация ее крови эквивалентна 13%о-ному раствору, а в среде, концен-тРация которой выше втрое, концентрация ее крови возрастает ме-иее чем в 2 раза. В любой среде, более концентрированной, чем ^5%-ная морская вода, кровь этого животного становится гипоос-мотичной. Проницаемость для воды и солей у Artemia ниже, чем У большинства других микроскопических ракообразных. Она обес-
74
Глава 1
Осмотическое давление гемолимфы Б
Рис. 1-18.
А — осмотическая концентрация кишечной жидкости (I) и гемолимфы (II) у Artemia при различной солености среды (в % NaCl). Б — концентрации (ммоль/л) Na+ (I), К+ (II) и С1" (III) в гемолимфе (а) и кишечной жидкости (б) у Artemia при разных осмотических концентрациях гемолимфы (в % NaCl) [78].
Рис. 1-19. Основные пути движения ионов и воды у гипоосмотическей ио отношению к среде Artemia.
Сплошными стрелками показано активное, а пунктирной — пассивное движение.
Обмен воды: осмотический баланс, гормональная регуляция
75
печпвает себя водой, абсорбируя ее из среды и выделяя соли с фекалиями. Artemia может выпивать воду в количестве, эквивалентном 3% веса ее тела, в 1 ч. На рис. 1-18 и 1-19 показано, что при разных концентрациях морской воды в кишечной жидкости поддерживается более высокая осмотическая концентрация, чем в гемолимфе, однако ее величина всегда ниже осмотической концен-
Рис. 1-20. Электронная микрофотография секреторных клеток жабр Artemia [73]. Четко выявлена структура митохондрий. А — синусоиды темной клетки с канальцами, переплетающимися с эндоплазматической сетью (Б). Гемолимфа вверху, за пределами изображения.
трации концентрированных сред. В кишечной жидкости содержание натрия и хлоридов ниже, чем в гемолимфе, поэтому NaCl и вода всасываются из кишечника, в то время как другие соли удаляются из кишечника наружу. Эпителий первых десяти жабр активно выделяет NaCl в гиперосмотическую среду и может поглощать его из разведенной среды. Таким образом, кишечник является основным органом регуляции водного баланса у Artemia, а жабры — органом регуляции баланса NaCl [78].
В жабрах Artemia имеются участки эпителия, окрашивающиеся серебром, а клетки, участвующие в транспорте ионов, содержат группы митохондрий, расположенных между плоскими синусами, которые омываются гемолимфой [75] (рис. 1-20). Уабаин-чувствительная АТФаза, выделенная из Artemia, содержавшихся в 400%-ной морской воде, в 5 раз более активна, чем такая же ЛТФаза,
76
Глава 1
выделенная из креветок, содержавшихся в 50 %-ной морской воде. Уабаин, который блокирует натриевую АТФазу, в среде с высокой соленостью вызывает гибель животного [9].
Как показывают эксперименты с мечеными атомами, общий обмен натрия у Artemia весьма высок, причем в концентрированной среде он выше, чем в разведенной:
[Обмен Na
%/ч экв/(чг)
В морской воде В 50%-ной морской воде 42 35 42,5 31,7
Через кишечник в организм поступает около трети общего количества Na; большая часть остального Na получается с помощью обменной диффузии или пассивной диффузии через жабры, причем эта доля уменьшается при помещении животного в разбавленную среду (см. гл. 2). Такое уменьшение представляет собой реакцию на общую осмотическую концентрацию, а не на концентрацию Na или С1. Тем не менее ионы натрия и хлора обмениваются независимо друг от друга [354]. Основные механизмы гипоосмотической регуляции у Artemia удивительно похожи на аналогичные механизмы эвригалинных морских рыб.
Неактивные цисты Artemia исключительно устойчивы к обезвоживанию и холоду. В норме в их крови содержится трегалоза, которая может превращаться в гликоген. Перед инцистированием (которое может быть вызвано значительным повышением осмотической концентрации среды) потребление кислорода и концентрация трегалозы уменьшаются, а концентрация глицерина повышается до значительного уровня. Глицерин накапливается между эмбрионом и оболочкой, а при вылуплении вытекает во внешнюю среду [67].
Равноногие рачки встречаются в морской и пресной воде и в разнообразных наземных местообитаниях. Ligia oceanica живет между камнями у границы высокого прилива и выше нее, он гипо-осмотичен в морской воде (Двн=—2,15 при Днар =—1,98) и хорошо поддерживает гиперосмотичность при снижении концентрации морской воды по крайней мере до 50%. Во влажном воздухе концентрация его гемолимфы падает до Двн=—1,44, а в сухом воздухе Двн——3,48 (рис. 1-21). Таким образом, рачки Ligia устойчивы к изменениям осмотических концентраций среды в довольно широком диапазоне. Равноногий морской рак Idotea, живущий среди растительности в межприливной зоне, напротив, поддерживает изо-осмотичность по отношению к среде [355]. Было проведено сравнение популяций Mesidotea из Балтийского моря и озер Сканди
Обмен воды: осмотический баланс, гормональная регуляция
навии. Оказалось, что балтийские популяции не живут при разве-ениях ниже 5,5 мМ Na на 1 л, в то время как озерные популяции Размножаются в пресной воде. Поверхность тела равноногих раков из озерных популяций менее проницаема, а активное поглощение натрия у них достигает состояния полунасыщения при 2,4—5 мМ в противоположность 10—14 мМ, характерных для балтийских популяций [80]. Очевидно, приспособление к жизни в пресной воде
Рис. 1-21. Зависимость осмотической концентрации гемолимфы от солености среды у равноногого рачка Ligia, обладающего гипоосмотической регуляцией [380].
I — при температуре 22° С; II — при 12° С; III — изоосмотичность.
сопровождалось уменьшением проницаемости для NaCl и повышением сродства к Na в системе активного всасывания [80]. Другой Равноногий рак, Halmiscus, обитает в гипергалинных озерах Австралии; он изоосмотичен при 19°/оо и переносит изменения солености в диапазоне от 1 до 160%о [15].
Итак, способностью к гипоосмотической регуляции обладают Ракообразные, много времени проводящие на суше, обитатели гипергалинных озер и некоторые морские креветки и равноногие ра-Ки- Для большинства этих животных характерна низкая проницае
78
Глава 1
мость поверхности тела, с помощью которой наземные крабы защищаются от пересыхания, а ракообразные, живущие в гипергалин-ных водах, — от осмотических потерь. У наземных крабов выработались структурные и поведенческие приспособления для поглощения воды. Водные формы активно выделяют соли главным образом через жабры. Все эти виды образуют небольшое количество гипо-осмотической мочи.
Хорошо развитая гиперосмотическая регуляция.
Пресноводные ракообразные
Осмотическая концентрация гемолимфы у пресноводных ракообразных выше, чем у других пресноводных животных: Авн крови итальянского краба Telphusa fluviatiles равна —1,17, а Авн речных раков Orconectes и Astacus в пресных водоемах характеризуется величинами от —80 до —85. Осмотическая регуляция у пресноводных крабов изучена еще недостаточно. Когда речного рака помещают в разведенную (до 50%) морскую воду, концентрация его гемолимфы повышается, и рак продолжает оставаться гиперосмо-тичным; однако при более высоких концентрациях среды (60%-ная морская вода) он становится изоосмотичным ей. Речных раков удавалось сохранять живыми в течение нескольких месяцев в 50%-ной морской воде, хотя в норме эти раки в солоноватых водах не встречаются. Приводимые ниже цифры говорят о том, что, когда рака Astacus, взятого из пресной воды, акклимируют в течение месяца к 50%-ной морской воде, концентрация аминокислот в его мышцах повышается значительно сильнее, чем концентрация солей [99].
Пресная вода 50%-ная морская веда
Анар, °C —0,02 —0,95
Авн, °C —0,8 —1,04
Аминокислоты мышц, мМ. 139,9 204
К мышц, мэкв 95 105
К крови, мэкв 4,6 6
У речного рака, Pacificastacus, адаптировавшегося в течение 48 ч к 60%-ной (или 70%-ной) морской воде, содержание ионов в крови увеличивалось более значительно. Образование мочи, т. е. фильтрация, уменьшалось, хотя отношение концентрации инулина в моче к концентрации его в крови и не изменялось [280]. Эти данные приведены в табл. 1-3.
Если экскреторные поры речного рака закупорены, то в пресной воде вес его тела будет увеличиваться, а в гиперосмотической среде— уменьшаться. Образование мочи в пресной воде будет выражаться в несколько более высоких цифрах, чем у многих морских ракообразных (4,37 [178] или 8,37% веса тела [54] в день). У Astacus в пресной воде моча образуется в количестве, эквивалентном 4,6% веса тела в день. Это говорит о существовании хотя и низкой, но все же заметной проницаемости его для воды. Изо-
Обмен воды: осмотический баланс, гормональная регуляция
79
Таблица 1-3
Ионные концентрации жидкостей тела речного рака Pacificastacus до и после акклимации в 60%-ной морской воде
Пресная вода 60%-ная морская вода
величины моча/кровь величины моча/кровь
Осмотическая концент- 421 моем 0,095 ’500 моем 0,38
рация крови Na крови 195 мМ 0,07 232 мМ 0,266
С1 крови 180 мМ 0,016 213 мМ 0,278
К крови 4,9 мМ 5,5 мМ
К мышц 111,9 мМ 122,4 мМ 2,13
Инулин Выведение инулина 2,45 мл/(кг-ч) 2,Н 0,03 мл (кг*ч)У
лированные жабры проницаемы для воды на уровне примерно 19 л/(г-день); эта величина постоянна и, как показывает расчет, равна 0,12 с-1 [25]. Моча речного рака очень разбавлена, что можно видеть из следующих данных:
Осмотическая концентрация, ДзаМерз Na, мМ.
Хлориды, мМ
Среда Гемолифма Моча
0,018 0,81 0,09
0,4 203 6,0
195 10
В каких бы условиях ни находился речной рак, его моча всегда содержит соли. Речной рак весом 50 г теряет 600 мМ хлоридов в день. Некоторое количество солей обычно поставляется с пищей, однако речной рак неделями может поддерживать солевой баланс, находясь без пищи в водопроводной воде. Крог в течение 3 дней промывал речных раков дистиллированной водой и помещал их затем в 0,02%-ный рингеровский раствор; животные начинали поглощать хлориды со скоростью 2,3 мМ/ч, несмотря на то, что наружная их концентрация была равна 2 мМ, а внутренняя — 100 мМ. Речной рак активно поглощает также Вг~; кроме того, он поглощает С1~ из КС1, Na+ и С1_ из NaCl и Na+ из Na2SO4 [193]. При перемещении речного рака из водопроводной воды в дистиллированную содержание натрия в его моче уменьшается с 8 до 1 мМ; выход натрия в дистиллированную воду составляет 64,5% выхода его в водопроводную воду [54].
Пребывание в течение некоторого времени в дистиллированной в°Де с последующим возвращением в водопроводную воду вызывало (в связи с уменьшением запасов натрия) значительное увеличение— в 6,8 раза — общего поглощения; потери натрия при этом были больше, чем обычно бывают в водопроводной воде. Следовательно, в этом случае имело место усиление обмена натрия, а не общего поглощения.
80
Глава 1
Если речного рака с нормальным содержанием натрия в крови помещать в серию растворов с повышающейся концентрацией, то содержание натрия в его крови почти не будет увеличиваться, пока концентрация этого элемента в среде не превысит концентрацию в крови, равную 200 мМ. При внешней концентрации Na, превышающей 300 мМ, концентрация его в крови и моче поднимается до одинакового уровня. В опытах с мечеными соединениями было показано, что обмен натрия происходит так, как если бы он проте-
1ОО 120 то 160 180 200 220 2W 260 280 300' Концентрация натрия В кроВи
Рис. 1-22. Зависимость обмена натрия у речного рака от его концентрации в крови [54].
А — поступление Na, Б — потери Na. I — выведение с мочой; II — общее количество выделенного Na; III — потеря путем диффузии; IV— поступление 22Na; V — поступление в норме. Косо заштрихованная площадь показывает долю активного переноса. Концентрация Na выражена в ммоль/л.
кал в каком-то едином объеме, эквивалентном 46,9% объема всего тела [54]. В пресной воде константа проницаемости для выхода Na при его концентрации в крови, равной 310 мМ, составляла 0,0076 ч-1, а при концентрации в крови, равной 186 мМ,— 0,0047 ч-1. Эта величина соответствует выходу 0,87 мкэкв/(г-ч), причем потери Na с мочой составляют 0,049 мкэкв/(г-ч), или 5,6% общего выделения Na. Зависимость между потерями, происходящими посредством обмена, диффузии и выведения с мочой, при разных концентрациях Na в среде показаны на рис. 1-22 [54]. В норме у речного рака поддерживается следующий баланс: при равновесии поступление равно выделению, когда NaBH=200 мМ, а NaHap = 2 мМ.
С мочой выделяется 6% натрия, а 94%—через поверхность тела (по-видимому, через жабры), причем 2/з из этих 94% выводится с помощью диффузии и 7з — с помощью обмена. У живого непо-
Обмен воды: осмотический баланс, гормональная регуляция
81
врожденного рака кровь по отношению к водопроводной воде электроположительна и ее потенциал равен 6,6 мВ [79].
F Различия в количестве хлоридов, содержащихся в крови и в моче, можно, по-видимому, объяснить реабсорбцией солей в гемолимфу через почки. Почка речного рака (антеннальная железа) в ее начальном отделе представляет собой целомический мешок, пронизанный кровеносными сосудами и синусами и выстланный однослойным эпителием. За ним следует зеленый канальцевый лабиринт губчатого строения и длинный (3 см) нефридиальный канал. Последний открывается в мочевой пузырь. Все эти отделы, кроме мочевого пузыря, обильно снабжаются кровью, поступающей из сосудов в пространство гемоцеля. У омара, выделяющего изо-осмотическую мочу, лабиринт длиннее, но зато нефридиальный каналец недостаточно дифференцирован. У краба Carcinus совсем нет канальца. У пресноводного Gammarus pulex нефридиальный каналец длиннее, чем у морского G. locusta. Таким образом, вся почка ракообразного животного в принципе подобна одной структурной единице почки позвоночного. Эпителиальные клетки целомического мешка имеют длинные отростки с многочисленными отверстиями и широкие межклеточные лакуны, подобно подоцитам почечных клубочков млекопитающих [198]. Длинный нефридиальный каналец у пресноводных животных приспособлен, очевидно, для выделения разбавленной мочи.
Состав жидкостей, полученных из различных отделов почки ракообразного, представлен в следующей таблице (в миллимолях) [291]:
Кровь Целомический мешок Лабиринт Проксимал ьный каналец Дистальный каналец Лабиринт
С1 196 198 209 212 90 10
Na 242 207 168 168 182 12,4
К 7 8,5 6,8 13,3 12 0,9
Считается, что жидкость целомического мешка и лабиринта представляет собой фильтрат крови, практически изоосмотичный по отношению к ней, и что в нефридиальном канальце, по-видимому, происходит реабсорбция хлоридов и других растворенных веществ, после чего разбавленная моча поступает в мочевой пузырь. Доказательством того, что процессы фильтрации действительно имеют место, могут служить данные, полученные в опытах с инулином (который фильтруется, но не реабсорбируется). Если выделенная в течение 24 ч моча составляет 3% веса тела, то количество выведенного за этот срок инулина равно 4,4% веса тела, а отношение концентрации инулина в моче к концентрации в крови в дисталь-н°м канальце равно 1,8, что говорит о происходящей здесь реабсорбции воды [291]. По-видимому, фильтрование возникает в свя-6-1332
2
Глава 1
зи с необходимостью задержать углеводные полимеры с молекулярным весом от 50000 до 100 000 [186]. У омара, моча и кровь которого изоосмотичны, концентрации инулина в моче и в крови равны. У омара [57] и у речного рака [186] содержание глюкозы в крови довольно велико, а в моче оно близко к нулю; эти величины выравниваются под действием флоридзина (блокирующего поглощение глюкозы у млекопитающих). С повышением солености среды выведение почками инулина и объем мочи сокращаются; следовательно, доля реабсорбируемой воды остается постоянной. Основная задача заключается в уменьшении количества первичной мочи.
Поверхность клеток дистального канальца почки речного рака со стороны базальной мембраны имеет множество складок, а со стороны просвета гладкая; следовательно, активный перенос должен происходить со стороны, омываемой кровью. Клетки лабиринта снабжены микроворсинками и большими выбухающими вакуолями. Эпителиальные клетки целомического мешка и канальцев почек речного рака, находящегося в пресной воде, содержат крупные вакуоли. В клетках канальцев образуются тельца, имеющие форму пузырьков, которые выходят в просвет канальца [292].
У рака Procambarus обнаружена гормональная регуляция образования мочи: удаление глазного стебелька ведет к увеличению количества выделяемой им мочи и уменьшению концентрации крови. Инъекция экстракта мозга или глазного стебелька нормализует эти показатели. Так, в норме концентрация хлоридов в крови речного рака равна 195 мМ, после удаления глазного стебелька — 175 мМ, а после введения гомогената мозга—197 мМ [178].
У Eriocheir sinensis, мохнаторукого краба из северной Европы, гиперосмотическая регуляция настолько хорошо развита, что краб достигает половой зрелости в пресных водах; однако осенью он возвращается для размножения в море. Проницаемость для воды и солей, измеренная с помощью метки, у него очень мала. Концентрация его крови в то время, когда он находится в пресной воде, лишь немного меньше (Авн=—1,22°C), чем ее концентрация в то время, когда он находится в Северном море (Авн=—1,66 °C). Выделение мочи в пресной воде невелико (только 3—5 мл/день у краба весом 60 г), причем моча может быть слабо гиперосмотич-ной по отношению к крови независимо от характера среды. Потери хлоридов и аммиака при открытых и закрытых выделительных порах одинаковы. Eriocheir поглощает соли из очень разбавленных растворов против градиента концентраций. В изолированных жабрах, наполненных кровью, происходит перенос натрия из наружной среды, содержащей 8 мМ, в кровь, где концентрация натрия равна 300 мМ. Таким образом, в пресной воде почки повышают выделение ионов и задерживают сравнительно мало воды. Краб может жить в пресной воде благодаря низкой проницаемости его для воды и солей и способности жабр активно поглощать соли.
Обмен воды: осмотический баланс, гормональная регуляция 83
Итак, у большинства пресноводных ракообразных наблюдается весьма существенное усовершенствование механизмов гиперосмотической регуляции, имеющихся у крабов солоноватых вод. Это усовершенствование выражается в значительном снижении проницаемости, выделении разбавленной мочи и активном поглощении натрия, которое происходит при малых концентрациях его в среде.
Икра морских рыб и пресноводных животных
Яйца морских беспозвоночных изоосмотичны по отношению к окружающей среде и в соответствии с ее изменениями могут набухать или сморщиваться. Икра морских костистых рыб гипоосмо-тична по отношению к морской воде, тогда как икра пресноводных организмов гиперосмотична к среде. По-видимому, до того как разовьются выделительные органы, регуляция осмотического градиента осуществляется какими-то иными механизмами.
В оплодотворенной икре карпозубой рыбы Fundulus внутренняя концентрация соответствует АВн =—0,76 °C, т. е. составляет меньше половины концентрации окружающей морской воды. Если эту икру поместить в морскую воду при различных разведениях, то ее точка замерзания изменится незначительно. Содержание хлоридов в зародышах некоторых морских костистых рыб составляет от ’/so до ’/2 концентрации хлоридов в морской воде. После оплодотворения гидростатическое давление в икре Fundulus увеличивается до 150 мм рт. ст., а электрическое сопротивление оболочек яиц возрастает от 3450 до 13 290 Ом/см2 [181]. Наружный неэластичный хорион препятствует набуханию. Между хорионом и яйцом находится перивителлиновое пространство, заполненное прозрачным коллоидом, который, набухая за счет впитывания воды, заставляет яйцо сморщиваться и оказывает на него гидростатическое давление. Результаты экспериментов, в которых икру помещали в различные среды, свидетельствуют о том, что хорион проницаем для воды и солей, а желточная оболочка фактически непроницаема.
Икра пресноводных животных также должна быть защищена от разбавления. У зародыша форели Salmo Авн составляет от —0,43 До —0,49 (220 моем), а для перивителлиновой жидкости эта величина равна 31 моем при осмотической концентрации речной воды, равной 2 моем. Только что отложенная икра форели относительно проницаема; при помещении в солевой раствор ее проницаемость сохраняется. Будучи отложена в пресную воду, икра уплотняется, причем в течение первых трех часов происходит быстрое падение ее проницаемости. Для осмотической проницаемости икры характерны следующие константы:
Р, МКЗ/(мк2 с)
Икра форели перед откладыванием 0,06
Икра форели, уплотнившаяся в воде Меньше чем 0,004 Личинки Sialis 0,04—0,05
в*
84
Глава 1
Amoeba 0,35
Икра из яичников лягушки 0,89
Отложенная икра лягушки 1,2
Эритроциты 125
Другие данные говорят о том, что проницаемость для воды икры лягушки в 5—10 раз выше, чем икры форели. Этот расчет основан на том, что икра лягушки может поглощать воду в количестве, составляющем 7зоо ее объема в день [217], т. е. фактически проницаемость ее для воды очень мала. Подобным же образом в обмене натрия участвует только околожелточная жидкость. Накопления натрия в эмбрионе не происходит до тех пор, пока он не достигнет стадии «глазка» [277]. Снижение проницаемости у отложенной оплодотворенной икры по сравнению с икрой, находящейся еще в яичниках, наблюдалось также у перцины и ручьевой миноги. В икре лягушки осмотическая концентрация падает от величины, примерно эквивалентной 120 мМ NaCl (период откладывания икры), до 80 мМ (период закрывания бластопор), поскольку первоначальное набухание сменяется пониженной проницаемостью.
Раньше считали, что яйца пресноводных беспозвоночных покрыты относительно непроницаемыми оболочками. Однако яйца пла-норбид (брюхоногих моллюсков) при гаструляции теряют желточную оболочку и капсулярная оболочка (хорион) не задерживает воду и ионы. Зародыш, лишенный своей капсулы, может сам регулировать содержание воды и солей. Если обмен веществ подавлен, то зародыш набухает и жидкость накапливается в межклеточном пространстве, особенно в полости сегментации (дробления) бластулы. По-видимому, в норме жидкость активно удаляется из полости бластулы, эмбриональные клетки могут активно поглощать натрий, и, таким образом, возможно, что клеточная регуляция есть уже на самых ранних стадиях развития [16, 17].
Итак, можно заключить, что до развития выделительной системы проницаемость зародыша для воды и ионов крайне мала; о механизмах активного транспорта на ранних стадиях эмбрионального развития морских и пресноводных животных известно очень немного.
Адаптация к морской и пресной воде, к почве и к эндопаразитическому существованию
Простейшие
Тип простейших объединяет огромное многообразие довольно отдаленных форм, которые и обитают в чрезвычайно разнообразных условиях. У морских и паразитических простейших, по-видимому, нет никаких осмотических трудностей: они изоосмотичны. Однако эти организмы все же регулируют свой ионный состав и поддерживают определенный клеточный объем и форму. Некоторые
Обмен воды: осмотический баланс, гормональная регуляция
85
из них относятся к эвригалинным организмам и могут переходить от изоосмотической к гиперосмотической регуляции. Пресноводные простейшие гиперосмотичны по отношению к своей среде, и избыток воды у них выбрасывается их сократительными вакуолями. Обследование многих представителей ресничных показывает, что некоторые пресноводные виды могут выживать в растворах, соленость которых превышает 5%о, что виды солоноватых вод крайне эригалинны и что некоторые морские виды могут жить при солености среды 3%о [Н].
Водный баланс различных простейших определяли на основе данных об изменении объема и вакуолярного выделения в различных средах и с помощью анализа содержимого цитоплазмы и вакуолей. Регуляция объема у морских видов происходит обычно быстрее, чем у пресноводных.
Осмотическая концентрация у крупной корненожки Pelomyxa carolinensis, по данным измерения упругости пара, равна 103 моем, а у Spirostomum — 89 моем. Данные объемных измерений дают для Pelomyxa величину 94 моем. Осмотическая концентрация у Paramecium обусловлена в основном мелкими молекулами: осмотическая концентрация в 111 моем складывается из 6,5 мМ Na, 28,8 мМ К, 9,2 мМ С1 и 56,5 мМ аминокислот. Если осмотическую концентрацию среды увеличить, добавив сахарозу, то внутренняя концентрация возрастет вследствие увеличения количества аминокислот. Таким образом, внутренняя концентрация ионов у них поддерживается на относительно постоянном уровне [342] (рис. 1-23).
Вода поступает в организм простейших путем обменной диффузии, осмотического движения и через пищевые вакуоли. Корненожки имеют более низкую проницаемость для воды, чем инфузории, но у всех простейших проницаемость ниже, чем у развивающихся в воде яиц. На основании данных о проницаемости тяжелой воды и вычисленных площадей поверхностей тела было подсчитано, что у Pelomyxa количество жидкости, проходящей с помощью диффузионного обмена в течение 1 ч в клетку и из нее, превышает объем клетки в 13 раз. Однако осмотически активными являются только 2% рассчитанного клеточного объема, т. е. именно такое количество жидкости за это время должно быть выделено сократительной вакуолью [219]. Это хорошо согласуется с данными о том, что объем жидкости, выделившейся за 1 ч, составляет 3,8% клеточного объема.
Помимо той воды, которая проникает через клеточную поверхность, значительное ее количество поступает также с пищей; у ресничных проницаемость мембраны цитофаринкса, вероятно, выше проницаемости всей остальной поверхности тела. У пресноводных инфузорий отряда Peritricha количество воды, поглощаемой Пищеварительными вакуолями, может составлять от 8 до 20% количества, выделяемого сократительными вакуолями, а у Рагате-
36
Глава 1
cium эта величина составляет 30%. Связанное с питанием увеличение вакуолярного выделения наблюдалось у многих видов. У морской Amoeba mira, не получающей пищи, вакуолярное выделение почти прекращается, когда же она начинает питаться, у нее появляются большие вакуоли. У Paramecium активность сократительных вакуолей возрастает не только при получении пищи», но и
Рис. 1-23. Осмотическая концентрация у Тetrahymena в средах с различной осмоляльностью '[342].
<О — в разбавленной культуральной среде; в растворах сахарозы; неорганической
среде.
в том случае, когда вода просто насасывается ротовым отверстием. Некоторые инфузории, такие, например, как паразитические Ophryoscolecidae, могут закрывать свои ротовые отверстия; в это время пульсация их сократительных вакуолей сильно замедляется.
Сократительные вакуоли имеются у всех пресноводных простейших, у многих морских и у некоторых эндопаразитических видов. Результаты измерения объема и скорости их пульсации свидетельствуют о выполнении ими осмотических функций. У пресноводных .видов выделение идет активнее, чем у морских. У эвригалинных
Обмен воды: осмотический баланс, гормональная регуляция
87
видов вакуоли могут появляться в случаях, когда животные находятся в разбавленной среде. При переносе морской инфузории Amphileptus в 70%-ную морскую воду скорость сокращения ее вакуолей увеличивается на 21%. Когда пресноводную Amoeba verrucosa культивировали в морской воде возрастающих концентраций,, вакуолярная пульсация у нее замедлялась, а в 50 %-ной морской воде вакуолей совсем не было заметно. При первом погружении туфельки Paramecium в гипертонический солевой раствор ее тело уплощается, но затем возвращается к своей нормальной форме, а вакуолярное выделение заметно уменьшается. У одного из солеустойчивых видов Paramecium, у которого вакуолярная пульсация в пресной воде протекает со средним интервалом, равным 13 с, в 50 %-ной морской воде отмечается увеличение этого интервала до 32 с, а в 100%-ной до 65 с [118].
Морская инфузория Miamiensis в 25%-ной морской воде выделяет жидкость в объеме, эквивалентном своему клеточному объему, за 0,5 ч, в 100%-ной морской воде — за 1,1 ч, а в 175 %-ной — за 2 ч, т. е. она реагирует на осмотическую концентрацию, а не просто на наличие ионов самих по себе. Анализ цитоплазмы культивируемых в морской воде животных дает следующие результаты (в мМ): Na — 87,9; К — 73,7; Са — 3,7; Mg — 28,5; Cl — 60,8. Внутриклеточные концентрации К, Са и Mg в различных средах хорошо регулируются, регуляция же Na и С1 идет хуже. В 100%-ной морской воде общее содержание аминокислот в клетке равно 317 ммоль/кг; среди них больше всего аланина, несколько меньше глицина и еще меньше пролина; вместе они составляют 75% общего количества аминокислот. В морской воде различных концентраций увеличение клеточной осмотической концентрации обусловлено в гораздо большей степени повышением содержания аминокислот, чем электролитов. Важную функцию сократительных вакуолей составляет также выделение натрия [180].
Обычно сократительные вакуоли образуются при слиянии маленьких вакуолей или пузырьков. Они могут возникнуть в какой-то одной части клетки или в разных ее участках. У некоторых инфузорий имеется система специальных каналов, которые изливают свое содержимое в сократительные вакуоли. Сократительные вакуоли играют также определенную роль как секреторный орган. Об этом свидетельствуют результаты опытов, в которых применялись дыхательные ингибиторы.
Когда такие ингибиторы, как, например, цианид, динитрофенол или амитал, добавлялись к разбавленной среде, в которую были помещены инфузории, вакуолярное выделение у последних уменьшалось, а клеточный объем увеличивался. Вакуолярное выделение в значительной степени зависит и от температуры. Вокруг сократительных вакуолей сосредоточены митохондрии и другие гранулы,. а между каналами и саркоплазматическим ретикулумом заметны тончайшие канальцы. Как происходит наполнение мелких вакуолей
88 Глава 1
и каналов, неизвестно. Анализ содержимого цитоплазмы и вакуолей указывает на то, что мелкие вакуоли изоосмотичны, что они способны к активному поглощению жидкости и, становясь гипоос-мотичными, сливаются друг с другом.
Осмотическая концентрация, моем Na. мМ К. мМ
цитоплазма сократительные вакуоли среда цитоплазма сократительные вакуоли цитоплазма сократительные вакуоли
Pelornyxa carolinensis 117 51 2 0,57 19,9 31 4,6
[290] Amoeba proteus [304] 101 32 7
Эти результаты говорят о том, что калий реабсорбируется цитоплазмой, тогда как натрий выделяется из нее. Образование вакуолей обеспечивает, таким образом, и ионную, и осмотическую регуляцию.
Чем определяется конечный объем или время опорожнения сократительных вакуолей, неясно. У некоторых инфузорий вакуоли опорожняются в какой-то определенной точке поверхности или через пору. Фибриллярные пучки, которые, возможно, являются сократимыми, тянутся у Paramecium от вакуоли к клеточной оболочке (пелликуле). Если сосущую инфузорию Discophrya подвергнуть гидростатическому давлению ~ 176 кг/см2, то оболочка ее растянется, частота пульсаций вакуолей увеличится, а их объем станет меньше. При очень высоком давлении, которое, как известно, вызывает превращение геля протоплазмы в золь, вакуолярное выделение падает и клетки округляются [190]. Поверхность изолированной сократительной вакуоли при обработке ее с помощью АТФ и Mg может сокращаться подобно мышечным белкам [281]. Поэтому возможно, что опорожнение вакуоли является результатом сокращения белковых филаментов в ее стенках.
Функции сократительных вакуолей в регуляции ионного состава, осмотического давления и объема, а также механизмы наполнения и опорожнения вакуолей, вероятно, у разных видов простейших различны.
Паразитические гельминты
Среда обитания кишечных паразитов может время от времени подвергаться значительным изменениям. Немногочисленные измерения, проводившиеся на кишечных ленточных червях (цестодах), показывают, что в норме они изоосмотичны по отношению к среде, но в разных экспериментальных средах способны к незначительной регуляции.
Обмен воды: осмотический баланс, гормональная регуляция
89
у нематод имеются нефридиеподобные выделительные органы, которые могут участвовать в ионной и осмотической регуляции. Установлено, что выделительные ампулы личинок третьей стадии Nippostrongylus и Ancylostoma пульсируют с гораздо большей частотой в разведенной среде, чем в концентрированной.
Анализ полостной жидкости круглого червя Ascaris показывает, что он скорее всего гипоосмотичен по отношению к кишечной жидкости, в которой обитает. В разведенной среде вес его тела увеличивается; однако прирост веса тела уменьшится, если на кишечник червя будет наложена лигатура; следовательно, стенки его тела в какой-то степени проницаемы для воды [159]. В солевой среде осмотическая регуляция у аскариды отсутствует. В изотонической солевой среде Ascaris выделяет мочу, изоосмотичную полостной жидкости:
МОСМ Na К
Среда 310 140 3
Полостная жидкость 333 107 8,5
Моча 329 ПО 40
По-видимому, выделительные органы в большей степени участвуют в ионной регуляции, чем в осмотической. Введенный внутрь тела инулин не выделяется, поэтому едва ли здесь у Ascaris имеется механизм фильтрации. Нефридий имеет структуру секреторного органа [199]. Ленточный червь Hymenolepis изоосмотичен по отношению к своей среде. Возможно, что при дальнейшем изучении водно-солевого обмена различных паразитических червей у них также будут найдены разные степени регуляции.
Регуляция у пресноводных беспозвоночных
Пресноводные губки, кишечнополостные и двустворчатые моллюски представляют собой животных с самой разбавленной внутренней средой. Соответственно поддержание свойственного им очень небольшого концентрационного градиента с внешней средой требует небольших энергетических затрат; правда, их двигательная и метаболическая активность также ограничена. Осмотическая концентрация клеток пресноводной губки Spongilla эквивалентна 25— 30 мМ NaCl; в период почкования она увеличивается в несколько Раз. У пресноводных губок в амебоцитах и хоаноцитах можно видеть сократительные вакуоли; у морских губок вакуолей нет.
Клетки изолированных щупалец Hydra viridis и Pelmotohydra °Hgactis в растворах сахарозы, концентрация которых выше 0,04 М, постепенно уменьшаются в объеме, а пищеварительные клетки Chlorohydra viridissima изотоничны 50 мМ раствору сахарозы. Ос
•90
Глава 1
мотическая проницаемость обеспечивает поступление 0,3—0,6 мк3 воды на 1 мк2/(мин-атм) [211]. В растворах, концентрация которых выше 200 мМ, объем клеток Chlorohydra уменьшается пропорционально увеличению концентрации среды, т. е. клетки ведут себя как осмометры (осмотически неактивный объем составляет у них около 70%). В растворах с концентрацией ниже 200 мМ гидростатическое давление достигает максимума (т. е. их объем остается почти постоянным при снижении концентрации до 50 мМ, ниже которой клетки снова начинают вести себя как осмометры) [192]. Hydra аккумулирует калий и выводит натрий. Гастральная полость у нее заряжена положительно (30 мВ) по отношению к наружной стороне ее стенки — очевидно, вследствие общего поступления натрия внутрь.
Пресноводная медуза Craspedacusta в среде с концентрацией 7 моем путем активной абсорбции Na и К поддерживает в тканях осмотическую концентрацию на уровне 27 моем, а содержание воды— на уровне 99%. Гиперосмотическая регуляция наблюдалась у нее в растворах с концентрациями до 69 моем; при повышении концентрации животные уменьшались в объеме и становились изо-осмотичными [154]. У этих медуз в среде, содержащей 2 мМ Na и 0,6 мМ К, содержание Na равно 15 мМ, а содержание К — 0,6 мМ. Считается, что животные с такой разбавленной внутренней средой активно поглощают натрий, который затем они выделяют в гиперосмотический раствор в кишечнике, удаляя таким образом воду из тела. Проницаемость их для воды мала, но все же заметна [154].
У коловраток внутренняя концентрация чуть больше, чем у кишечнополостных [52]:
моем Na, мэкв К, мэкв
Прудовая вода 17,7 4,2 1,7
Жидкость тела 81 21 7
Моча 42 13,4 2,7
Коловратки снабжены синцитиальными протонефридиями, которые состоят из терминальных луковиц, имеющих внутри колеблющиеся (как пламя) пучки ресничек, из канальцев и мочевого пузыря. Обычно активность таких луковиц максимальна в разведенной среде [271]. В прудовой воде моча образуется со скоростью 47-10-9 мл/мин (рассчитанной на основании объема пузыря), а натрий выделяется со скоростью 0,63-10~9 мэкв/мин; отношение концентраций инулина в моче и в жидкости тела составляет 1,42, а общая скорость фильтрации равна 33,1 • 10~9 мл/мин [52].
У пресноводных двустворчатых моллюсков, таких, как Anodonta, очень низкая концентрация крови (Лвн=—0,08 °C, или приблизительно 42 моем). Вес тела Anodornta в растворах с концентрацией,.
Обмен воды: осмотический баланс, гормональная регуляция
91
большей чем Днар^—0,1, уменьшается. У анестезированных или охлажденных моллюсков вес тела в пресной воде также уменьшается. Таким образом, Anodonta проницаема для воды и выделяет разбавленную мочу, объем которой может за сутки достигать 50% объема тела. Жидкость из перикардиальной полости движется через нефростом в почки. Гидростатическое давление крови составляет около 6 см водяного столба, а коллоидно-осмотическое давление в крови равно примерно 3,8 мм водяного столба. Следовательно, здесь может происходить фильтрация жидкости через стенки сердца в перикардиальную полость. В соответствии с данными, полученными при определении клиренса инулина, интенсивность фильтрации составляет 1—1,3 мл/ч на 100 г веса тела. Концентрация мочи достигает 23,6 моем, т. е. примерно в 2 раза меньше концентрации крови [272].
Пресноводная улитка Lymnaea аккумулирует Na и С а из воды пресных водоемов [141]. В водопроводной воде кровь улитки имеет отрицательный заряд 16,6 мВ, который не зависит от наружной концентрации натрия. Такой потенциал должен поддерживать кон-: центрацию крови на уровне 0,67 мМ, однако в действительности ее
концентрация составляет 57 мМ. Было показано, что активное поглощение меченого Na изменяется в соответствии с изменением наружной его концентрации, причем концентрация полунасыщения г для механизма активного поглощения составляет 0,25 мМ. Уста-с новлено, что у улитки, адаптированной к среде с 0,35 мМ Na, его поступление составляет 0,132 мкМ/(г-ч), из которых, как показывает расчет, постоянному обмену подвергается 0,053 мМ. У улиток с частично истощенным запасом Na его поглощение из среды уве-? личивается вдвое. Поглощение кальция улиткой Limnaea с увели-? чением концентрации кальция в среде также возрастает, а величи-
i на /См найдена равной 0,3 мМ Са. С уменьшением концентрации
। Са в крови увеличивается ее отрицательный потенциал, что, по-ви-; димому, и обеспечивает поглощение Са; однако при низких кон-• центрациях кальция поглощение его из среды, вероятно, становится j активным. Очевидно, пресноводные моллюски, несмотря на низкие } осмотические концентрации жидкостей их тела, приспособились к j выделению разбавленной мочи и активному поглощению Na+ и» ’ вероятно, также Саi 2+.
I W
I Дождевые черви и пиявки
i Существуют большие группы пресноводных кольчатых червей— CHigochaeta (малощетинковые черви) и Hirudinea (пиявки). Дож-
девые черви приспособились к жизни во влажной почве, где интенсивность осмотического стресса занимает промежуточное положение между его интенсивностью в пресной воде и на воздухе. Если Дождевого червя перенести из почвы в водопроводную воду, то примерно в течение 5 ч он поглотит воду в количестве, равном 15%
*92 1 Глава 1
первоначального веса его тела. При возвращении в почву или на воздух этот червь будет терять воду. Дождевые черви могут переносить потерю 50—80% всей воды, содержащейся в их теле, причем червь Allobophora более устойчив к такой потере, чем Pheretima или Eisenia [140]. После избыточной гидратации вода удаляется из тела червя с большей скоростью, чем поглощается после дегидратации. В градиенте влажности дождевой червь ориентирован в направлении большей влажности и избегает сухих мест. На воздухе поверхность его тела остается влажной за счет экскретируемой воды; в ответ на раздражение происходит выдавливание целомической жидкости через дорсальные поры.
Характерные величины концентраций целомической жидкости и мочи приведены ниже [283].
Целомическая жидкость Моча
Л сс замерз’ О, мэкв ^замерз’ & С1, мэкв
Lumbricus из водопроводной воды Lumbricus из раствора Рингера, эк- вивалентного 65% NaCl —0,31 —0,49 46,5 74 —0,10 —0,23 3,4 17
Будучи помещенными в морскую воду разных разведений, дождевые черви поддерживают гиперосмотичность целомической жидкости по отношению к среде; концентрация хлоридов в них может, однако, стать более низкой, чем в среде. Моча при любых ее концентрациях остается гипоосмотичной по отношению к крови [283].
У некоторых малощетинковых червей имеются крупные нефридии — по одной паре в каждом сегменте. У других видов в каждом сегменте расположено большое количество мелких нефридиев. В одних случаях нефридии открываются в полость тела ресничными воронками, или нефростомами, в других они не имеют отверстий. У некоторых червей (например, у Pheretima postuma из сухих почв) нефридии выводят свое содержимое прямо в кишечник, что способствует сохранению воды, а у других видов (например, Lumbricus) они открываются наружу. Целомическая жидкость попадает в нефростомы благодаря биениям ресничек. Красители и продукты распада гемоглобина могут накапливаться в канальцевом эпителии. Выделение мочи нефридиями у дождевых червей, содержащихся в водопроводной воде, составляет 2—2,5% веса тела в 1 ч. Концентрация хлоридов в моче равна 7,7% содержания С1_ в целомической жидкости у Lumbricus и 4,6% —у Pheretind-У Pheretima содержание глюкозы в крови равно 100 мг/100 мл, тогда как в целомической жидкости и в моче глюкозы не обнарУ' жено.
Обмен воды: осмотический баланс, гормональная регуляция
93
Пробы, взятые из помещенных в рингеровский раствор изолированных нефридиев, выявили очень малое снижение (или его отсутствие) количества хлоридов в проксимальном и среднем каналах и заметное уменьшение его в дистальном канале и мочевом пузыре [283]. Проведенные недавно измерения концентрации хлоридов в разных отделах выделительной системы Lumbricus (при инкубации их в рингеровском растворе) дали следующие результаты (в %): ресничный канал — 72, проксимальный канал — 62,
дистальный канал — 31, мочевой пузырь — 26. Внутренняя стенка канала электроотрицательна по отношению к наружной его поверхности (разность потенциалов равна 14 мВ), что свидетельствует об активной реабсорбции Na+ [43, 46]. Количество Na, выводимого из нефридиального канала, было вычислено и приводится ни-
же в сравнении с соответствующими величинами, полученными на других видах:
мкэкв/(мм2-с)
Нефридии Lumbricus проксимальный каналец 0,9ЫО-5
Подвздошная кишка собаки Проксимальный каналец крысы Мочевой пузырь лягушки Проксимальный каналец Necturus 2,01-Ю-5 8,5-10-5 0,44-10“5 0,062-IO"5
Отношение концентрации инулина в моче к его концентрации в целомической жидкости превышает единицу — очевидно, вследствие реабсорбции воды.
Как и у большинства эвригалинных животных, у адаптирующихся к пресной воде червей пассивное поступление (свидетельствующее о величине проницаемости) уменьшается, а активное поглощение увеличивается. Пассивное поглощение Na и С1 было рассчитано исходя из уравнений поглощения (см. выше) с использованием измеренных концентраций и потенциала (—20 мВ), найденного для целомической жидкости животных, содержавшихся в пресной воде.
Полученные в эксперименте значения как для Na, так и для С1 в 20—50 раз выше расчетных, что свидетельствует об активном характере поступления обоих элементов. У червей, перенесенных в прудовую воду прямо из почвы, активное поглощение Na в 6 раз, а С1 в 3 раза выше, чем у червей, предварительно адаптированных к пресной воде.
Измерения поглощения при различных концентрациях показали, что оно увеличивается до максимума при 0,94 мкэкв/(10 г-ч) по сравнению с 1,5 для речного рака и 3,0 для саламандры; концентрация полунасыщения для механизма поглощения (т. е. Км) равна 1,3 мМ NaCl по сравнению с 0,2 мМ для речного рака и 20 мМ Для краба Carcinus [182а].
У пресноводной пиявки осмотическая концентрация жидкости тела равна 202 моем; потребление кислорода минимально в 25%-
94
Глава 1
ной морской воде. Моча образуется со скоростью 3—6 л/см2 поверхности тела в 1 ч. Кровь гиперосмотична по отношению к моче в широком диапазоне наружных концентраций [45] (рис. 1-24). Для пиявок, находящихся в пресной воде, получены следующие данные:
Na, мМ С1, мМ Осмотическая концентрация, моем Выделение мочи, мкл/(гч)
Hurido, кровь 125 36 202
моча 6 6 15 46,5
Lumbricus, кровь 167 25
Выделительный орган пиявки — нефридий — снабжен имеющим реснички органом, окруженным перинефридиальным кровеносным
Рис. il-24. Схема строения нефридия пиявки {45].
I — перинефростомный сосуд; II — ресничный орган;- III — начальная доля; IV — укороченный канал; V — внутренний канал; VI— дистальная часть; VII — первичная доля; VIII — апикальная доля; IX — проксимальная часть большого канала; X — внутренняя доля; XI — концевой канал; XII — нефридиопора; XIII — мочевой пузырь.
сосудом. Кровь, проходя через систему мелких канальцев, фильтруется, после чего фильтрат поступает через канальцы в мочевой пузырь [44, 45]. Пиявки, содержавшиеся в течение нескольких дней в дистиллированной воде и помещенные затем в разбавленный рингеровский раствор, очень активно поглощают из него соли.
В характере функционирования нефридия кольчатых червей и нефрона позвоночных прослеживается поразительное сходство.
Обмен воды: осмотический баланс, гормональная регуляция
95
Насекомые
Большинство насекомых обитает на суше, поэтому основная задача их осмотической регуляции состоит в получении достаточного количества воды с пищей и из окружающего воздуха для предотвращения высыхания. Отдельные виды насекомых живут в пресной Б0Де—по крайней мере в течение личиночного периода, а личинки некоторых двукрылых живут в соленых озерах, в солоноватой и морской воде.
Осмотическая концентрация гемолимфы насекомых колеблется в пределах Дзамерз от —0,4 до —1,3 °C, что соответствует 120— 376 ммоль/л NaCl. Главную роль в поддержании осмотического давления у насекомых в отличие от других животных играют не хлориды, а органические вещества, в особенности аминокислоты. В плазме млекопитающих хлориды составляют 2/з всех анионов, у шелкопряда — только 12—18%, а у личинки овода — только 7%. В жидкости тела личинок Culex и Aedes на долю хлоридов приходится только 25%, а у Drosophila — 20% общей осмотической концентрации.
Водные насекомые
Многие насекомые, обитающие в воде, дышат воздухом. У некоторых личинок имеется жаберная система, позволяющая им использовать растворенный в воде кислород. Отдельные виды дышащих воздухом насекомых периодически поднимаются на поверхность, другие постоянно носят с собой пузырек воздуха (см. гл. 9). Среди клопов-гребляков (Corixidae) есть как пресноводные виды (Sigura distincta и Corixa dentipes), так и солоноватоводные формы (Sigura lugubris). У пресноводных Corixa dentipes концентрация гемолимфы эквивалентна 149 мМ NaCl, а концентрация выделяемой ректальной жидкости — 57 мМ NaCl; ежедневная потеря воды составляет 49% веса тела этого насекомого [338].
Проницаемость кутикулы водных насекомых для воды в значительной степени варьирует. Жабры более проницаемы, чем поверхность тела, а личинки и нимфы более проницаемы, чем взрослые насекомые. Процесс испарения на воздухе имеет определенную критическую температуру, выше которой потеря воды заметно увеличивается; эта переходная температура ниже у наземных видов [81]. У водных видов рода Collembola кутикула почти водонепроницаема, однако при удалении воскового покрытия она начинает намокать. Водоотталкивающие свойства кутикулы водных насекомых, вероятнее всего, обеспечивают несмачиваемость, а не предохраняют от высыхания [253].
Личинки хирономид (комаров-дергунов) живут в самых разнообразных водных средах. Африканские виды размножаются в мелких временных водоемах, переживают засуху и вновь оживают
96
Глава 1
после дождя. В сухом воздухе эти личинки могут содержать только 3% воды, а после 6 ч пребывания во влажном воздухе — 33%; они могут переносить (в течение коротких периодов) нагревание воды до 41 °C [158]. Пресноводный вид Chironomus thummi не может жить в воде, соленость которой превышает 0,5 %о, тогда как Ch. sa-linarius выживает при соленостях от 1 до 37%о [252а].
Для личинок некоторых двукрылых, культивируемых в разведенной среде, характерны большие анальные бугорки, а для личинок, выращиваемых в солевом растворе, — маленькие.
У Chironomus thummi наблюдается гипертрофия бугорков в отсутствие С1~, но не в отсутствие Са2+. У эвригалинных личинок комара Aedes aegypti анальные бугорки обеспечивают 90% обмена С1~ и могут активно поглощать С1~ из разбавленных растворов NaCl и в меньшей степени — из растворов КС1, СаСЬ и NH4C1. Вероятно, поглощение С1~ может идти частично за счет обмена на ионы ОН- или НСОз из гемолимфы, поскольку поступление Cl-уменьшается при возрастании концентрации этих ионов в среде. Натрий активно поглощается из растворов NaCl и в меньшей степени из растворов NaNO3, NaHCO3 или Na2SO4. Полунасыщение абсорбции достигается при концентрациях 0,2—0,5 мМ С1 и 0,55 мМ Na [340, 341].
Проницаемость анальных бугорков для воды может быть продемонстрирована с помощью перевязывания тела личинки и помещения ее в среды с разными осмотическими концентрациями. Личинки Aedes argenteus в норме поглощают мало воды; эта вода под влиянием осмотических процессов поступает внутрь тела через анальные бугорки, а экскретируется через мальпигиевы сосуды. Гемолимфа остается относительно постоянной в средах разной солености вплоть до концентрации, эквивалентной 0,65% NaCl, но в средах с более высокой соленостью осмотическая концентрация гемолимфы изменяется в соответствии с концентрацией среды. Путем постепенной акклимации личинки могут быть адаптированы к разведенной морской воде, эквивалентной 1,4% NaCl. При культивировании личинок Culex pipiens в 0,65%-ном растворе NaCl их анальные бугорки имеют очень малый размер, в 0,006%-ном растворе NaCl они больше, а в дистиллированной воде делаются очень крупными; в эпителиальных клетках при этом появляются вакуоли. У личинок Aedes detritus из алжирских водоемов с соленостью, эквивалентной 1,2—10% NaCl, анальные бугорки имеют меньший размер, чем у личинок Aedes aegypti из пресных вод [377]. Эндотелиальные клетки анальных бугорков A. aegypti имеют глубокие базальные (кутикулярные) складки с длинными плоскими митохондриями между ними. С дистальной стороны (со стороны гемолимфы) у них имеются мелкие пузырчатые канальцы и митохондрии [72]. Эти эндотелиальные клетки, по-видимому, активно поглощают Na и О, но это пока еще как следует не изучено.
В процессе выделения участвуют мальпигиевы сосуды и прямая
Обмен воды: осмотический баланс, гормональная регуляция
97
кишка, в которой происходит реабсорбция. У личинок ручейника Limnophilus, содержащихся в среде, соленость которой эквивалентна 0,01% NaCl, осмотическая концентрация жидкости тела эквивалентна 0,031—0,048% NaCl, жидкость из мальпигиевых сосудов имеет сходную концентрацию, а концентрация мочи эквивалентна
Рис. 1-25. Основные пути движения ионов и воды в процессе осморегуляции у личинки комара Aedes Mosquito.
Изображены пассивный вход воды, активное поглощение NaCl из среды и активное обратное всасывание калия в задней кишке.
менее чем 0,009% NaCl. У личинок пресноводного комара Aedes aegypti кишечная жидкость (эквивалентная жидкости мальпигиевых сосудов) изоосмотична по отношению к гемолимфе, тогда как ректальная моча сильно разбавлена (рис. 1-25). В противоположность этому у личинок Aedes detritus, живущих в разбавленной морской воде, кишечная жидкость, изоосмотичная по отношению к крови в переднем отрезке кишечника, становится гиперосмотичной в задней кишке [282а]:
Эквивалентная концентрация NaCl, %
ЖИДКОСТЬ задней кишки жидкость тела кишечная жидкость
A. aegypti (в дистиллированной 0,07 0,63 0,57
воде) A. detritus (в морской воде) 3,5 0,93 1,2
В мальпигиевых сосудах личинок комаров накапливается жидкость, осмотически не очень отличающаяся от гемолимфы, а абсорбция воды и солей происходит у них через ректальный эпителий. Имеются данные о регуляции этих процессов со стороны гормонов торакальных ганглиев и ретроцеребрального комплекса
Личинки Stalls (пресноводные вислокрылки) в отличие от личинок комаров не имеют специальных механизмов для поглощения
7—1332
98
Глава I
ионов; при этом они хорошо проницаемы для воды. В выделяемой ими ректальной жидкости концентрация электролитов (в основном NH4HCO3) составляет 65% концентрации гемолимфы; в значительно меньших по сравнению с гемолимфой количествах ректальная жидкость содержит Cl-, Na+ и К+. Внутренняя поверхность задней кишки имеет положительный по отношению к гемолимфе заряд, равный 24 мВ, что может свидетельствовать об активной реабсорбции анионов. Для иллюстрации приводятся следующие данные (в мэкв) [313а]:
Na К Cl NHtf нсо3
Г емолимфа 109 5 31
Выделяемая жидкость 12 4 0 100 91
Было проведено сравнение некоторых особенностей личинок солоноватоводных и пресноводных видов ручейника Limnophillus. давшее следующие результаты [343]:
L. affinis, солоноватая вода
Гемолимфа может быть гиперосмо-тичной среде
Моча может быть гиперосмотичной гемолимфе
Временная константа обмена Cl 6/2= =400 ч
Проницаемость низкая
Потребляет мало воды
Может переносить концентрацию среды, равную 75% концентрации морской воды
L. stigma, пресная вода
В солоноватой воде погибает
Ректальная жидкость гипо- или изоосмо-тична гемолимфе 6/2=40 ч
Проницаема для ионов
Пьет в соленой среде и срыгивает
Погибает при солености выше 60 моем
Личинки двукрылых рода Ephydra могут жить в соленых озерах. Ephydra riparia, вид из солоноватых вод, гипоосмотична по отношению к среде. Е. cinerea встречается в Большом Соленом озере, где в среде с осмотическим давлением 250 атм осмотическое давление ее гемолимфы равно 20,5 атм (Азамерз =—1,89°C). В дистиллированной воде осмотическое давление гемолимфы составляет 20,1 атм, или Азамерз^—1,67°C. Эти личинки должны быть практически непроницаемы для солей [252].
Известны виды-двойники Anopheles, идентичные морфологически; их яйца заметно различаются, и гибриды, получающиеся при их скрещивании, стерильны; один из этих видов, A. gambiae, развивается в пресной воде, другой, A. melas, обычно размножается в солоноватой среде, но может развиваться при концентрациях, в 1,5 раза превышающих концентрацию морской воды.
Обмен воды: осмотический баланс, гормональная регуляция
99
Наземные насекомые, двупарноногие и паукообразные
Наземные насекомые весьма успешно приспособились к жизни в сухой атмосфере. Их потребность во влаге широко варьирует, а осмотические концентрации гемолимфы, как правило, превышают соответствующие концентрации у водных насекомых:
Паукообразные
Наземные насекомые
Водные насекомые
Скорпион Паук Carabus Богомол
Ephestia (личинка) Acheta
Drosophila (личинка)
Комар (личинка)
—1,125
—0,894
—0,94
—0,885
—1,12
—0,72
—0,70
—0,65
Потеря воды у наземных насекомых происходит главным образом благодаря испарению. Если у млекопитающих отношение поверхности тела к его объему составляет около 0,5, то у насекомых эта величина может достигать 50 [18]. Одним из путей испарения являются дыхальца, и большинство насекомых приоткрывает их только при дыхательных движениях. Виды, не способные закрывать дыхальца, теряют воду значительно быстрее. Если дыхальца долгое время остаются открытыми, например в атмосфере СОг или в период активности насекомого, потеря воды увеличивается во много раз. У саранчи Locusta в сухом воздухе вентиляция уменьшается и потеря воды сокращается пропорционально недостатку насыщения; при высокой температуре воздуха гипервентиляция может удвоить потерю воды. Вентиляция может изменяться в зависимости от состояния запасов воды и от относительной влажности [218]. У некоторых видов жуков, обитающих в пустыне, при дыхании теряется гораздо меньше воды, чем через кутикулу. С повышением температуры до 40°C эти потери возрастают в значительно меньшей степени (по сравнению с резким увеличением испарения через дыхальца, наблюдаемым в этих условиях) [3]. Сходным образом у скорпионов потери воды через кутикулу относительно больше при низких температурах (<38°С), а респираторные потери значительнее при высоких температурах (>40°С) [148].
У таракана Periplaneta при обезвоживании происходит уменьшение объема гемолимфы с 17,5 до 13,5%, а содержание воды в ней сокращается с 16,4 до 11,0 мл/100 мг; при этом осмотическая концентрация увеличивается с 410 до 467 моем, а концентрация хлоридов снижается со 132 до 127 мМ. Таким образом, содержание хлоридов у таракана регулируется; в то же время содержание органических компонентов (вероятно, аминокислот) может увеличиваться '[104, 105].
7*
5
100 Глава 1
Свойства покровов насекомых, позволяющие поддерживать водный баланс
Покров насекомого представляет собой сложное образование, состоящее из хитина, дубленых белков, восков, полифенолов и цемента. Как правило, слабое испарение объясняется наличием слоя кутикулярного воска, толщина которого равна примерно 0,2 мк. Константы проницаемости воска и кутикулы для воды почти в 2000 раз меньше, чем соответствующие константы эритроцитов.
Рис. 11-26. Схема строения кутикулы насекомых [21].
/ — липиды (0,2 мк); II— липопротеиды (0,2 мк); III — хитиново-белковая кутикула (1—20 мк); IV— пористые каналы; V — эпидермальные клетки.
Водные насекомые на воздухе обычно теряют путем испарения больше воды, чем наземные насекомые, а активные растительноядные формы — больше, чем куколки: личинки Limnophilus—11, Corix — 2, взрослый Hydrobius — 0,3, куколка Tenebrio — 0,02 мг/(см2-ч) при 20 °C [161]. Потери воды увеличиваются при повреждении кутикулы, при удалении воска соответствующими растворителями и при изменении физических свойств воска, связанных с повышением температуры. Увеличение потерь воды, вызываемое повышением температуры, происходит сначала постепенно, а потом— выше некой точки перехода — все более круто [19] (рис. 1-26). Гибель насекомого, наступающая при значительном повышении температуры, может быть связана скорее с высыханием, чем с собственно нагреванием. При повышенной температуре воздуха высокая его влажность снижает потери от испарения. У пустынного скорпиона кривая зависимости проницаемости кутикулы от температуры имеет две ступени — при 35 и 60 °C. У пустынных членистоногих потери воды в сухом воздухе (в процентах от веса тела в час) при 30 °C меньше, чем у животных, привыкших к большей влажности; например, у скорпиона — 0,028—0,091, у тарантула— 0,147; у Locusta — 0,32; у мучных червей 0,12—0,245 [148].
Совершенно уникальной представляется способность кутикулы насекомых и клещей поглощать воду из достаточно влажной, но не насыщенной водой атмосферы. Такая способность обнаружена у различных клещей, блох, личинок Tenebrio и чешуекрылых, однако
Обмен воды: осмотический баланс, гормональная регуляция 101
отсутствует у Periplaneta и Blatta [104]. Поглощение воды усиливается при высыхании и уменьшается при гидратации животного. Уровень относительной влажности (в процентах насыщения), выше которого начинается поглощение воды из атмосферы, для Ixodes равен 94, Tenebrio— 88, Xenopsilla — 65, Termobia — 50 [21]. Личинки третьей стадии блохи Xenopsilla поглощают 2 мкг/(ч-мм2) при 93% относительной влажности, тогда как при нулевой относительной влажности у них происходит испарение со скоростью 0,9 мкг/(ч-мм2), т. е. интенсивность поглощения воды из влажной атмосферы вдвое превышает ее испарение в сухой среде [191]. Чешуйница Termobia при 43 %-ной относительной влажности теряет воду путем испарения, а при 63 %-ной начинает поглощать ее.
Механизм абсорбции атмосферной воды неизвестен. Кутикула пронизана порами диаметром 0,1 мк, по которым вода движется внутрь тела втрое быстрее, чем наружу (даже у тараканов, которые не поглощают воды). Движение воды из капли на кутикуле внутрь не зависит от осмотической концентрации жидкости. Считается, что капелька воды может изменить угол ориентации липидных монослоев в кутикулярных порах. Кроме того, дубленый белок, покрытый с одной стороны воском, обнаруживает одностороннее поглощение воды. Такого рода абсорбция свойственна только живым насекомым; следовательно, вода, поступившая через кутикулу, должна с помощью гемолимфы распределиться по тканям [253]. Эксперименты с перевязыванием тела у Termobia показали, что основное участие в потреблении воды принимает задняя кишка [253].
Таким образом, ограничение количества испаряемой воды осуществляется у насекомых с помощью дыхалец и — вплоть до критической температуры — воскового кутикулярного покрытия. Вода может поглощаться из влажного воздуха благодаря асимметричности кутикулярных пор.
Поведение
Другим адаптивным механизмом осморегуляции у насекомых служит их поведение, направленное на выбор мест с «предпочитаемой» (или оптимальной) влажностью. Так, после небольшого высыхания животные стремятся в места с повышенной влажностью, а после гидратации — в более сухую атмосферу. Tribolium при температуре 27 °C может отличить 95%-ную относительную влажность от 100%-ной, но нечувствителен к столь же малому различию между 40 и 55%-ной относительной влажностью. Только что пойманный клеверный клещик Bryobia praetiosa в градиенте влажности выбирает более сухой участок, но, подсохнув, может переместиться на самый влажный конец [381]. Нормальная взрослая Drosophila предпочитает сухую атмосферу, однако ее поведение становится прямо противоположным, если содержание воды в ее
102
Глава 1
теле уменьшается до 12—16%; гигрорецепторы расположены у нее в жгутиковых сегментах антенн, на щупиках и на хоботке. Те-nebrio confusum не ощущают разницы во влажности после удаления гигрорецепторов, находящихся на 7-м и 11-м антеннальных сегментах. Антенны Locusta могут быть снабжены сенсиллами трех типов: 1) воспринимающими влажность; 2) реагирующими на сухой воздух; 3) повышающими разряд в теплом воздухе и понижающими его в холодном [366]. У гусениц некоторых чешуекрылых третий антеннальный сегмент имеет три рецепторных нейрона, разряд которых увеличивается с повышением температуры, и три других нейрона, спонтанный множественный разряд которых повышается во влажном воздухе и снижается в сухом. Они способны чувствовать изменения, вызываемые испарением из листьев, и с помощью информации, получаемой рецепторами о температуре и влажности, они могут отличить свежие листья от увядающих [92]. У синей мухи Phormia один биполярный нейрон на вкусовой сенсилле стимулируется водой, другой — солевым или сахарным растворами [107].
Предпочтение определенной степени влажности, возможно, оказывает влияние на распространение некоторых насекомых. Например, тропические лесные комары Anopheles bellator и A. homunculus обитают в частично перекрывающихся участках в верхнем ярусе деревьев; из этих двух видов первый вследствие большей устойчивости к низкой влажности по вечерам поднимается выше, а днем спускается не так низко, как второй. Из двух видов Drosophila один-—D. persimilis — занимает более холодные и сырые места, чем D. pseudoobscura. Комары выбирают для яйцекладки неодинаковые солевые растворы; предполагается, что они имеют солевые рецепторы, локализующиеся на лапках и голенях. Рецепторы, воспринимающие вкус воды и влажность, широко распространены.
Выделение и его связь с водным и солевым балансом
Выделительная система насекомых состоит из мальпигиевых сосудов, средней и задней кишок. Мальпигиевы сосуды обычно отходят от места соединения средней кишки с задней и слепо заканчиваются в полости тела. У насыщенных водой Periplaneta или Calliphora ректальная жидкость (моча) гипоосмотична по отношению к гемолимфе; у обезвоженных Periplaneta осмотическая концентрация мочи может быть вдвое выше, чем концентрация гемолимфы [370]. У Schistocerca ректальная жидкость всегда гипер-осмотична, и лишь незначительная доля растворенных в ней веществ приходится на неорганические ионы [262] (см. таблицу на стр. 103).
У кровососущего клопа Rhodnius диурез наступает через 2— 3 ч после получения пищи. При помещении изолированных мальпи-
Обмен воды: осмотический баланс, гормональная регуляция
103
Л °C замерз’
гемолифма ректальная жидкость
При потреблении водо- —0,74 —155
проводной воды При потреблении соле- —0,96 —3,4
вых растворов
гиевых сосудов в соответствующий солевой раствор в них происходит очень быстрое образование жидкости; последующее замедление этого процесса можно обратить добавлением к среде гемолимфы. Фактор, экстрагируемый из нейросекреторных клеток мезото-ракального ганглия, стимулирует образование жидкости в изолированных мальпигиевых сосудах [227].
В изолированных мальпигиевых сосудах палочника Carausius образуется слегка гипоосмотическая жидкость, в которой по сравнению с гемолимфой или эквивалентной средой содержится больше К и меньше Na. Внутренняя поверхность сосуда несет положительный электрический заряд 15—20 мВ [284]. Секреция в сосудах приостанавливается, если гидростатическое давление внутри них поднимается выше 20 см вод. ст. Образование мочи в изолированных мальпигиевых сосудах Calliphora стимулируется следующими катионами (расположенными по убывающей интенсивности воздействия): K>Rb>Ca>Na. Моча может быть слабо гиперосмотичной по отношению к среде, но ее образование не зависит от внешней осмотической концентрации. У Calliphora в сосудах встречаются клетки двух типов: 1) первичные клетки, имеющие базальную (наружную) зону с глубокими впячиваниями мембраны и апикальную (обращенную в просвет сосуда) зону с микроворсинками, снабженными в изобилии митохондриями [27] (рис. 1-27); 2) звездчатые клетки, расположенные между первичными; в их апикальных мик-повоцсинках митохондрий нет. Считается, что натрий диффундирует в первичные клетки (с их базального конца), а затем выдавливается обратно в обмен на калий; звездчатые клетки также могут возвращать натрий в гемолимфу. На апикальном конце клеток, как было показано, действует электрогенераторный калиевый насос [29, 31]. В местах впячиваний с базальной стороны клеток могут существовать устойчивые концентрационные градиенты, где гипоосмотичность жидкости повышается в направлении закрытого конца этого участка. Вода и хлориды, по-видимому, пассивно продвигаются по градиенту в просвет сосуда (рис. 1-28). Насос нечувствителен к уабаину; он ингибируется ионами Си в присутствии ионов С1, но не НРО^. Многие мелкие анионы в отличие от крупных способствуют образованию мочи. Расчетный размер пор равен 3,6 А [30, 31]. Аналогичным образом у Carausius мальпигиевы сосуды транспортируют К из гемолимфы (18 мМ) в заполняющую их
104
Глава 1
Рис. 1-27. Схема строения мальпигиева сосуда таракана [259].
Митохондрии расположены между выемками со стороны гемолимфы, а разветвленные межклеточные сосуды — со стороны просвета.
Рис. 1-28. Схема движения воды и растворенных веществ в мальпигиевом сосуде [31].
Черными стрелками показано направление транспорта растворенных веществ, светлыми — направление пассивного тока воды. I — просвет сосуда; II — первичная клетка; III — кровь; IV — микроворсинки; V — базальная складка; VI— основная мембрана.
Обмен воды: осмотический баланс, гормональная регуляция 105
жидкость (145 МхЧ), причем этот процесс нечувствителен к уабаину, но тормозится при добавлении динитрофенола (ДНФ) [270]. Изолированные мальпигиевы сосуды личинок чешуекрылых, помещенные в среду, в которой концентрация калия ниже 0,45 мМ., образуют жидкость, содержащую 13 мМ калия. Они могут секретировать и натрий, если среда при малом количестве калия содержит много натрия; калий реабсорбируется в нижней (по ходу) части этого сосуда [171].
у Rhodnius в верхней части мальпигиевых сосудов секретируется прозрачная, изоосмотическая моча, имеющая щелочную реакцию; затем ниже по ходу сосудов моча закисляется, в ней выпадают кристаллы мочевой кислоты, очевидно, вследствие некоторой реабсорбции воды. При максимальном диурезе мальпигиевы сосуды Rhodnius могут in vitro секретировать до 3,3 мкл/(см2-мин); эта скорость уменьшается, если в омывающей их среде нет натрия; однако в отсутствие калия низкая концентрация натрия не оказывает такого влияния. В среде, содержащей холин, интенсивность секреции пропорциональна содержанию Na, или К, или их сумме. Секретируемая жидкость изоосмотична по отношению к гемолимфе и нечувствительна к уабаину. Секреция может идти и против градиента, особенно калиевого (от 14 до 85 МхЧ). Предполагается, что существуют раздельные механизмы обмена («насосы») для Na, К и CI [227].
У большинства насекомых из жидкости, попадающей в заднюю кишку, калий и вода начинают реабсорбироваться в гемолимфу. У личинок Aedes ректальная жидкость становится гипоосмотичной, тогда как жидкость из предшествующих отделов кишечника почти изоосмотична по отношению к гемолимфе.
Изолированная задняя кишка саранчи Schistocerca может транспортировать воду из своего содержимого, даже если оно представляет собой раствор неэлектролита, например трегалозы, причем транспорт воды не зависит от осмотической концентрации [261] (рис. 1-29). Однако он более эффективен, если в задней кишке содержится раствор электролита. Задняя кишка саранчи, получающей с пищей раствор соли, транспортирует воду в 2,5 раза быстрее, чем кишка насекомого, получающего только водопроводную воду. Внутренняя поверхность задней кишки Schistocerca имеет электроположительный по отношению к гемолимфе потенциал, равный 2—30 мВ. Если заднюю кишку заполнить солевым раствором, сходным по составу с гемолимфой и гиперосмотичным ей (за счет добавления 1 М ксилозы), то произойдет абсорбция 31% Na, ^5% К и 44% С1 против градиентов концентрации; содержание вместе Na и С1 в ректальной жидкости будет в этом случае в 3— 5 раз выше, чем в гемолимфе. Вода уходит из задней кишки в 4— 12 раз быстрее в присутствии К, чем в присутствии Na. Расчеты, основанные на данных о проницаемости стенок для разных молекул, показали, что поры в утолщениях вдоль задней кишки имеют
06
Глава 1
Жидкость задней кишки
Na 20 ммоль/л
К 139 »
CI 93 »
Н2О 8 мкл/ч
Д“С 0,78 »
pH 5,8 »
Гемолиукра.
Na 108 ммоль/л
К И „
а ив „
£££, 0,76 pH 7,/
Мальпигиевы сосуды
Пассивное Активный движение транспорт
Прямая кишка
Анус
Экскременты
Na / ммоль/л
К 0,2 »
CI 5 »
Н2О со,1 мкл/ч
Д°С 1,52 »
pH 4,7 »
Рис. 1-29. Схематическое изображение движения воды и концентрации ионов в различных отделах выделительной системы саранчи [261].
Рис. 1-30. Схема движения воды, вызываемого стойким градиентом [356].
В направлении градиента растворенные вещества переносятся в межклеточное прострайство, где создают осмотическую концентрацию, обеспечивающую пассивный приток воды. Межклеточное пространство открывается в просвет, закрытый с другого конца.
Обмен воды: осмотический баланс, гормональная регуляция 107
радиус 6,5 А [262]. Возможность образования гиперосмотической мочи даже из растворов неэлектролитов говорит о том, что здесь функционирует одна из форм активного транспорта воды из растворов.
Модель ректального транспорта насекомых можно построить по схеме, разработанной Даймондом, используя эпителий некоторых позвоночных [93, 94, 356] (рис. 1-30). Модель Даймонда состоит из двух клеток, отделенных друг от друга небольшим межклеточным пространством, закрытым с одной стороны и имеющим узкое отверстие с другой — в направлении участка, в котором происходит секреция. Растворенные вещества (ионы) секретируются на апикальном конце, благодаря чему жидкость в межклеточном пространстве становится гиперосмотической; из клеток в нее поступает вода — до тех пор, пока их проницаемость для воды не станет выше, чем для растворенных веществ. Вдоль межклеточного канала (сверху вниз) устанавливается градиент концентрации (и, вероятно, гидростатический градиент), а секретируемая жидкость может быть либо изоосмотичной, либо гипертоничной. Когда жидкость активно секретируется, канал расширяется. Эта модель была предложена для изучения секреции желчи в желчном пузыре млекопитающих.
Для того чтобы эту схему можно было применить для исследования насекомых, ее следует дополнить (1) мембраной (возможно, кутикулой), избирательно проницаемой для воды со стороны просвета кишечника, и (2) механизмом реабсорбции растворенных веществ (обычно Na) через мембрану из секреторного канала. Натрий должен циклически выходить и вновь входить в клетки, а вода должна перемещаться против общего градиента при движении из кишки в гемолимфу, оставляя гиперосмотическую мочу [369] (рис. 1-31).
Изучение ультраструктуры задней кишки таракана, мухи Calliphora и саранчи Locusta подтвердило правильность описанной модели. У Calliphora корковые клетки расположены в конусах, которые выступают в просвет задней кишки. Большие межклеточные синусы, образованные складками латеральных мембран, у мух, которым в заднюю кишку вводили гипотонический раствор, растягиваются, а у голодающих спадаются. Синусы открываются в гемоцель; на их поверхности можно гистохимически выявить Mg-АТФазу. Считается, что катионы выдавливаются в межклеточные пространства, делая их среду гиперосмотической; затем вода в силу осмотического градиента всасывается из просвета кишечника и таким образом поглощается. Такой механизм вполне мог бы Функционировать в просвете кишечника без участия ионов и обеспечивать поглощение воды из раствора неэлектролитов в задней кишке [27].
У Periplaneta в стенках задней кишки располагаются утолщения из цилиндрических клеток с перегородчатыми десмосомами на
108
Глава 1
апикальном и базальном концах. Между клетками имеются расширения и апикальные синусы. Вода может быть перемещена из просвета кишки снова в среду (гемолимфу). В условиях нормальной гидратации осмотическая концентрация кишки (включая и жидкость из мальпигиевых сосудов) может равняться 275 моем, а
Рис. 1-31. Рисунок и схема ректальной подушечки таракана Periplaneta [369]. М — мышечный слой, омываемый гемолимфой, К — кутикула, выстилающая внутренность задней кишки. Трахеи (Т) проходят через субэпителиальный синус (С) и входят в межклеточные синусы (МС). Клетки с ядрами (Я) разделены межклеточными каналами (МК) и крупными расширениями (Р). На схеме движение воды показано светлыми стрелками, а растворенных веществ — черными.
гемолимфы — 379 моем, тогда как у обезвоженного животного первая величина может достигать 1000 моем. Полагают, что растворенные вещества (вероятно, какие-то органические молекулы) выдавливаются в межклеточные расширения, и туда же из просвета кишки через выстилающую ее кутикулу осмотически всасывается вода. Растворенные вещества потом диффундируют обратно в гемолимфу и эпителиальные клетки. Ионы калия совершают кругооборот, но концентрация их в задней кишке выше, чем в гемолимфе. Однако, для того чтобы обеспечить реабсорбцию необходимого количества воды, одних ионов натрия и калия, содержащихся в межклеточной жидкости, явно недостаточно; очевидно, активную роль должны играть и другие растворенные вещества.
Обмен воды: осмотический баланс, гормональная регуляция 109
Аминокислоты также реабсорбируются задней кишкой. Система абсорбций ингибируется ДНФ, а скорость всасывания воды усиливается под действием экстрактов из corpora allata и из грудного и брюшного ганглиев [370].
У мучного червя Tenebrio molitor экскременты поступают в заднюю кишку жидкими, а из анального отверстия выходят в виде сухих частиц. При получении им влажной пищи осмотическая концентрация его гемолимфы соответствует понижению точки замерзания на 0,75 °C, а при сухой пище — на 1,5 °C. Мальпигиевы сосуды не свободно располагаются в полости тела, а тесно прилегают к задней кишке (и называются поэтому периректальными сосудами), причем весь криптонефрический ректальный комплекс окружен перинефрической мембраной [143, 286] (рис. 1-32). Содержимое начального отдела задней кишки изоосмотично с гемолимфой, а в нижележащих отделах гиперосмотично. Калий из задней кишки всасывается в периректальное пространство, из которого поступает затем в сосуды; кроме того, калий поглощается и из гемолимфы периректальными сосудами. Стенка мальпигиевого сосуда имеет положительный по отношению к гемолимфе потенциал, равный 50 мВ. В соответствии с осмотическим градиентом вода поступает из задней кишки в мальпигиевы сосуды, которые в свою очередь возвращают ее в гемоцель. Таким образом, передвижение веществ в этих видоизмененных мальпигиевых сосудах идет в обратном (по сравнению с другими насекомыми) направлении. Изнутри поверхность перинефрической мембраны покрыта многопластинчатой оболочкой, а клетки стенок сосудов имеют со стороны, обращенной к периректальному пространству, складчатую поверхность. За счет поглощения К из гемолимфы и транспорта его из задней кишки создается осмотический градиент, благодаря которому пери-ректальные (мальпигиевы) сосуды перемещают воду в гемолимфу [261] (рис. 1-33).
Мальпигиевым сосудам и задней кишке свойственны некоторые общие черты. Так, каждый из них активно транспортирует калий и может создавать осмотический градиент. (Эти транспортные механизмы нечувствительны к уабаину и, очевидно, не относятся к транспортирующей натрий АТФазной системе; в клетках каждой из них имеются глубокие складки, заполненные митохондриями и расположенные на той стороне клеток, на которой происходит транспорт веществ.) По-видимому, насекомые — единственные представители беспозвоночных, вырабатывающие весьма гиперосмотическую мочу и сохраняющие этим воду. Только млекопитающие обладают аналогичной способностью, однако механизм подобных процессов у них отличается от механизма, имеющегося у насекомых. У наземных насекомых совершается круговорот калия и иода может двигаться в направлении осмотического градиента по ограниченным внутриклеточным каналам обратно в гемолимфу, оставляя гиперосмотические продукты выделения.
110
Глава 1
Р,ис. 1-32, Криптонефрический комплекс мучного червя Tenebrio {369]у
1 — периректальный мальпигиев сосуд; 2 — периректальное пространство; 3 — анальное ОТ* верстие; 4 — просвет кишки.
Точки замерзания содержимого отделов
Ректальный комплекс
0,7-^2,2 Просвети
Направление потока Г^>0бщее количестве перенесенной воды И^ Общее количес тво перенесен кого KCL
Анус
кишки
Сухие срекалии
Рис. 1-33. Схема движения КО и воды в ректальном комплексе личинки Тепе-brio J261].
Обмен воды: осмотический баланс, гормональная регуляция 111
Рыбы
Происхождение позвоночных неясно. Все первичнохордовые — обитатели морей, и тип хордовых, несомненно, имеет морских предшественников. Следующие факты могут свидетельствовать о пресноводном происхождении рыб: кровь всех современных костистых рыб очень разбавлена, кровь хрящевых рыб также содержит низкие концентрации солей; почки состоят из клубочков, приспособленных к выделению гипоосмотической мочи. Однако процесс фильтрации с последующей реабсорбцией встречается и у морских ракообразных и моллюсков, поэтому он не может служить доказательством пресноводного происхождения. Древняя кистеперая рыба Latimerla почти изоосмотична морской воде и обладает осмотической концентрацией 1181 моем [266].
Каким бы ни было их происхождение, костные и хрящевые рыбы, очевидно, мигрировали из пресной воды в морскую в течение мелового периода. Многие современные рыбы (костистые) вновь заселили пресные воды, тогда как некоторые другие (костные га-ноиды) на протяжении всей истории позвоночных постоянно жили в пресной воде. Некоторые морские рыбы и теперь еще сохранили зависимость от пресной воды; одни из них, подобно лососю (анадромные), возвращаются для размножения в пресную воду, другие, подобно угрю (катадромные), размножаются в океане, а созревают в пресной воде. Некоторые рыбы, например Fundulus, встречаются в устьях рек и в пресной и в солоноватой водах — как молодь, так и взрослые формы. У других видов рыб, в частности у менхадены и циносционы, в пресную воду мигрирует молодь.
Бесчелюстные (круглоротые)
Миксины обитают только в море. Они {Myxinae и Polistotrema) почти изоосмотичны своей среде, и их осмотические концентрации равны 600—1540 моем. У них хороню развита ионная регуляция, а общая осмотическая концентрация варьирует в основном за счет изменений концентрации аминокислот. У миксины при изменении осмотической концентрации в 2,5 раза 80% сдвига концентрации в мышцах приходится на долю аминокислот, особенно пролина, аланина и лейцина [62].
Миноги представлены как анадромными (размножающимися в пресной воде), так и живущими исключительно в пресной воде формами. У миноги Petromyzon Лзамерз крови равна —0,48 °C в пресной воде и —0,59 °C в морской. Когда морские миноги входят в пресную воду, они перестают ее заглатывать. По возвращении их в солоноватую воду этот процесс возобновляется; при этом активируется внепочечное выделение Na и С1. В пресной воде они могут активно поглощать хлориды. У особей, обитающих в озере Мичи
112
Глава 1
ган, отношение моча/плазма для Na+ равно 13,5/124, а для К+ — 2,0/4,1 [232].
Встречающаяся в Англии минога Lampetra planeri живет только в пресной воде; другой вид — L. fluviatilis— относится к анадром-,ным формам, и его личинки мигрируют в солоноватые воды, где созревают, а затем поднимаются в реки для размножения. Молодь L. fluviatilis обладает гипоосмотической регуляцией.
Среда ДзаМерз сРеды Дзамер плазмы
Пресная вода 33%-ная морская вода 50%-ная морская вода 0,66 0,97 0,46 0,54 0,57
L. fluviatilis сохраняет гипотоничность, заглатывая солоноватую воду и экскретируя С1~ внепочечным путем. Взрослые зрелые миноги теряют способность к выживанию в разбавленной морской воде. L. planeri в несколько раз более проницаема для воды, чем jL. fluviatilis.
Взрослые особи Lampetra в пресной воде подобны другим рыбам: концентрация их крови составляет около 255 моем, а объем мочи равен 200 мл/(кг-сут) [45]. Личиночные формы имеют меньшую осмотическую концентрацию (215 моем). Они активно поглощают Na с помощью транспортной системы, Км (величина полунасыщения) которой равна 13 мМ и скорость максимального транспорта составляет 1,08 мкМ/(г-ч) [246].
Итак, осмотические свойства миксин и миног весьма различны: миксины изоосмотичны среде, миноги же обнаруживают как гипо-, так и гиперосмотическую регуляцию.
Хрящевые рыбы (пластиножаберные)
Акулы и различные скаты сбитают в основном в море; лишь немногие виды найдены в пресной воде. Среди морских рыб они представляют собой уникальные формы, так как осмотические концентрации их крови всегда выше, чем в окружающей среде (табл. 1-4). Содержание солей в плазме морских пластиножаберных почти равно их содержанию в плазме костистых рыб, но доля осмотической концентрации, обусловленная NaCl, составляет лишь 45% общей осмотической концентрации. Осмотическое давление создается у них главным образом за счет накопления большого количества мочевины и некоторого количества триметиламиноксида (ТМО) во всех тканях и жидкостях тела. Это позволяет акуловым рыбам поддерживать в морской воде такой же осмотический градиент, что и в пресной, и в обоих случаях выделять мочу, гипо-осмотичную по отношению к крови. Реабсорбция мочевины в поч-
Обмен воды: осмотический баланс, гормональная регуляция 113
ках акулы изменяется обратно пропорционально концентрации мочевины в плазме. Кожа и жабры пластиножаберных относительно непроницаемы для мочевины. Развивающийся зародыш получает необходимую мочевину либо из организма матери (у живородящих видов), либо из заключенного в непроницаемую камеру яйца, запаса мочевины в котором хватает до тех пор, пока у малька не разовьется свой собственный механизм для ее удержания.
Таблица 1-4
Осмотические концентрации жидкостей тела некоторых хрящевых рыб
Животное Днар* °С А °C сыворотки* А . °C МОЧИ Кровь Источник данных
С1, мэкв мочевина, мМ
Морской скат Raja —1,85 (1000 моем) —1,94 (1041 моем) — 1,68 (950 моем) 230 357 (2140 мг%) [327]
Пресноводный Pristis Акула Carcharhinus Potamotrigon 0 — 1,0 (538 моем) 308 моем —0,1 (54 моем) 170 219 107 (642 мг%) 180 (504 мг N/100) 1,07 (3,0 мг N/100) [327] [353] [353]
Скат Raja eglanteria —1,52 —1,13 — 1,57 —1,37 222 195 368 320 [280]
Концентрация мочевины у разных видов различна. Так, акула Potamotrigon из верховьев Амазонки содержит лишь 1,07 мМ мочевины, а серая акула Carcharhinus из озера Никарагуа—180 мМ (табл. 1-4). Разные виды морских пластиножаберных отличаются своей устойчивостью к слабосолоноватым водам. Например, кошачья акула Scyliorhinus не выживает в 60 %-ной морской воде, однако останется живой, если осмотическую концентрацию среды повысить до уровня, свойственного морской воде (добавив в нее, например, мочевину или сахарозу) [4]. Скат Raja eglanteria хорошо переносит акклимацию к солености в диапазоне от 16,2 до 31°/оо, при этом содержание мочевины в его крови увеличивается немного больше (на 35%), чем содержание ионов хлора (на 31%) [280]. Лимонные акулы Negaprion в течение недели подвергались аккли-мации к 50 %-ной морской воде; в результате этого осмотическая концентрация их крови снизилась на 40%, содержание мочевины в плазме — на 55, триметиламиноксида — на 60 и хлоридов — на 20%; выведение мочевины почками повысилось втрое [132]. Когда ската Raja erinacea переносили из 100%-ной морской воды в 50%-ную, выделение мочи у него увеличивалось в 6 раз, доля клубочковой фильтрации повышалась в 4 раза, выведение мочевины — в 22 раза, выведение С1~ — в 4 раза, а выведение ТМО — в 13 раз [131].
Как и у многих морских костистых рыб, у акуловых почки представляют собой главный путь выделения магния, фосфатов и суль-8—1.439
114
Глава 1
фатов; моча гипоосмотична по отношению к крови, NaCl выводится внепочечным путем. Его выведение осуществляется ректальными железами, выделяющими секрет, который у акулы, по-видимому, изоосмотичен по отношению к крови, но содержит более значительное количество NaCl и не содержит практически Са2+, Mg2+ и мочевины. Находясь в морской воде, колючая кошачья акула выделяет 0,47 мл/(кг-ч) жидкости, содержащей 495 ммоль/л С1. У голодающей акулы отношение концентрации ионов хлора в секрете слабо активных ректальных желез к их концентрации в плазме равно 1,24; введение ей NaCl усиливает секрецию. Инъекция сахарозы или мочевины дает более слабый эффект, секреция ректальных желез стимулируется раздражением осмотических рецепторов и рецепторов, воспринимающих изменение объема, и особенно введением NaCl [56]. Ректальные железы (у 9 видов) богаты АТФ-азами, требующими для своей активности Mg, Na и К и чувствительными к уабаину; следовательно, механизм транспорта ионов в этом случае подобен другим мембранным натриевым «насосам» [41]. В эпителиальных клетках желез имеются пузырьки, расположенные апикально и латерально между зубчатыми отростками ;[96]. У колючей акулы Squalus содержание Na+ в плазме составляет 250 мМ при содержании его в среде, равном 440 мМ. Как показали опыты с радиоактивными метками, общее поступление Na, происходящее главным образом через жабры, составляет 0,52 ммоль/(кг-ч). Оно уравновешивается следующими видами выделения: через почки — 0,15, через ректальные железы — 0,24 и через жабры — 0,16 ммоль/(кг-ч) [164]. Пока не установлено, обладают ли пластиножаберные способностью активно поглощать Na в пресной воде.
Костистые рыбы
Экологические корреляты. У пресноводных костистых рыб осмотическая концентрация крови равна 130—170 моем; моча у них сильно разбавлена и образуется в большом количестве. Ниже приведены данные для панцирной щуки:
Среда, Диар Кровь, Д СП Моча, А,, ' м Объем мочи, мл/(кг-сут)
—0,03 —0,57 —0,08 200—400
Пресноводные рыбы поглощают очень мало воды. Кожа у них относительно непроницаема для воды, однако вода осмотическим путем может проникать через жабры и слизистую рта.
Поступающая в организм вода создает в тканях рыб определенную водную нагрузку; почки пресноводных рыб имеют хорошо развитые гломерулы, которые могут фильтровать значительные объемы жидкости. По мере продвижения фильтрата по канальцам боль-
Обмен воды: осмотический баланс, гормональная регуляция 115
гпинство растворенных в нем веществ реабсорбируется, в результате чего моча становится менее концентрированной. Концентрация этой разведенной мочи все же выше концентрации пресноводной среды; некоторая потеря солей происходит также за' счет диффузии и в малых количествах — с фекалиями (рис. 1-34). Потеря солей частично компенсируется поступлением их с пищей; кроме того, необходимые соли поглощаются из среды клетками жабр. Ионы хлора могут абсорбироваться из очень разбавленных растворов против
Рис. 1-34. Основные пути движения ионов и воды в процессе осморегуляции, у пресноводной, гиперосмотичной по отношению к среде |(Д), и морской, гипоосмо-тичной по отношению к среде (Б), костистой рыбы.
Сплошными стрелками показано активное, а пунктирными — пассивное движение.
градиента концентрации. Некоторые виды рыб зависят в основном от пищевых источников солей (ерш Acerina, окунь Регса), другие же имеют более активные системы абсорбции солей (плотва Leuciscus, карась Carassius).
Катадромные рыбы размножаются в море, а созревают в пресной воде. Американский и европейский угри (Anguilla vulgaris) размножаются в Саргассовом море, откуда молодь мигрирует в пресные воды соответствующих континентов. Осмотическая концентрация крови угрей в морской воде колеблется в пределах от Азамерз=—0,69 до Д3амеРз=—75 °C, а в пресной воде — от Азамерз=—0,61 до Д3амерз=—0,62 °C. В почках Anguilla имеются гломерулы и дистальные сегменты. Проницаемость кожи угря для хлора и воды низка. В пресной воде интенсивность выделения мочи составляет 84 мл/(кг-сут), а в морской воде — только 15,1 мл/(кг-сут). В морской воде угри активно выделяют С1~ через жабры, в пресной же воде ионы хлора частично поглощаются жабрами, а частично поступают с пищей.
Анадромные рыбы, такие, как лосось, размножаются в пресной воде, а их подросшие мальки затем мигрируют в море. Кровь лососевых, обитающих в море, замерзает при —0,762 °C, а кровь этих же рыб, взятых из пресной воды во время нереста, имеет точку замерзания —0,668 °C. Кровь чавычи при миграции ее в нерестовые озера разбавляется только на 12%. У кижуча происходят более значительные изменения: осмоляльность его крови в морской воде равна 400 моем, а в пресной — 295 моем. Еще в период жизни в пресной воде у молоди Oncorhynchus kisutch обнаруживается 8*
116
Глава 1
адаптация к морской воде, и крупные особи в том же году мигрируют в море; мелкие особи, сохранив уже выработанную способность адаптации, мигрируют на следующий год. У стальноголового лосося Salmo gairdneri подобная адаптация утрачивается, если миграция в море почему-либо не состоялась [68, 136]. У Oncorhyn-chus nerka адаптация к морской воде возникает перед самой миграцией; точка замерзания ее мочи становится равной —0,44 °C, если же эту рыбу оставить на несколько дней в пресной воде, ее адаптация утрачивается и моча становится разбавленной (ДМочи== =—0,23°C). Концентрация натрия в ее крови в морской воде равна 172 мМ, в пресной воде—150 мМ [386].
В океане костистые рыбы сталкиваются с необходимостью сберегать воду и выделять соли, поэтому выделяющие воду гломерулярные почки им не нужны (рис. 1-34). Концентрация крови у морских рыб ненамного выше, чем у пресноводных (Авн=—0,7 °C); по-видимому, первые обладают механизмом, поддерживающим высокую степень гипотоничности. Их моча гипоосмотична по отношению к крови и образуется в очень небольших количествах. Морские рыбы в отличие от пресноводных заглатывают некоторое количество воды, правда меньше, чем полагали раньше. По мере того как морская вода проходит по кишечнику, из нее поглощаются вода и некоторые соли, причем Na+ и С1~ поглощаются в большей степени, чем Mg2+ и SOl”. Следовательно, концентрация Na+ и Cl-при этом уменьшается, тогда как концентрация К+, Са2+, Mg2+ и SOI- увеличивается [372а]. Некоторые ионы морской воды, особенно Mg2+ и SO4-, теряются с фекалиями; с мочой выделяются в основном Mg2+, Са2+, SOI' , фосфаты и некоторое количество К+, тогда как большая часть Na+ и С1~ экстрагируется внепочечным путем— через жабры.
На перфузируемых препаратах жабры — сердце угря было четко показано, что NaCl выводится в основном через жабры [196]. Хлор выделяется в морскую воду, концентрация его в которой выше, чем в крови. Изменение концентрации ионов хлора в перфузионной жидкости влечет за собой изменение уровня их выделения. Когда угрей переносили из пресной воды в морскую, содержание Na в их плазме повышалось с 108 до 153 мэкв, а выделение Na возрастало от 8,3 до 700 мкэкв/(100 г-ч). Добавление NaCl в омывающую среду также повышало выделение Na, любое изменение NaBH стимулировало изменения обмена через жабры. Механизм, с помощью которого в организме происходит определение содержания натрия, пока неизвестен [236].
У таких рыб, как бычок-подкаменщик, морской черт, камбала или пикша, в норме С1~ в моче отсутствует или его очень мало; однако можно повысить его содержание в моче экспериментальным путем. Азотистые продукты обмена, состоящие в основном из аммиака, выделяются путем диффузии через жабры. Камбала поглощает морскую воду в количестве от 0,5 до 1 % веса своего тела
Обмен воды: осмотический баланс, гормональная регуляция
117
в 1 ч. Морской окунь Serranus поглощает 0,5%, а морская собачка— только 0,03% веса тела в 1 ч [249, 250].
Агломерулярные почки. Морские костистые рыбы выделяют намного меньше мочи, чем пресноводные рыбы, что не удивительно, так как первые имеют менее развитые почки. Так, в почках взрослых особей опсануса Opsanus и морского черта Lophius отсутствуют гломерулы, хотя у молодых рыб, возможно, имеются псевдогло-мерулы. У опсануса выделение мочи за сутки составляет только 2,5 мл/кг по сравнению с 300 мл/кг, выделяемыми пресноводным сомом. В типичных почках морских костистых рыб отсутствуют также дистальные извитые сегменты канальцев. Скорость фильтрации довольно низка даже у имеющих гломерулы морских рыб. Выделение мочи в процентах веса тела в сутки у угря равно 1,5; у камбалы— 1,4; у Fundulus—1; у Xiphister — 0,34. У камбалы обнаружена реабсорбция в мочевом пузыре [200].
Экскреция агломерулярными почками представляет собой в основном канальцевую секрецию. Такие почки могут выделять Mg2+, НРОГ, SOF, С1“ и креатинин и способны концентрировать также такие мелкие молекулы, как молекулы фенолового красного. Они не выделяют глюкозу или инулин даже после отравления флоридзином (веществом, блокирующим реабсорбцию глюкозы в гломерулярных почках). У Lophius, имеющего Дплазмы=—0,67 и Амочи——0,57, моча практически свободна от С1—, но может содержать Mg2+ и SOF в концентрациях, в 100 раз превышающих соответствующие концентрации в крови, и Са2+ — в меньших концентрациях [115].
Некоторые рыбы с агломерулярными почками могут адаптироваться к обитанию в пресной воде, при этом объем мочи у них увеличивается, а ее концентрация становится меньше, как показывают следующие данные, полученные при исследовании опсануса {Ops an us tau) [201]:____________________________________
Среда
морская вода 50%-ная морская вода пресная вода
Плазма
Na (мэкв) 159,8 153 107
К (мэкв) 5,2 4,5 7,1
моем Моча из мочеточников 392 385 250
Na (мэкв) 72,7 71,5 87
К (мэкв) 9,0 7,8 6,6
моем 356,3 331 213
выделение (мл) Моча из мочевого пузыря 0,018 0,019 0,087
Na (мэкв) 62,4 107
К (мэкв) 8,5 8,5
моем 348,5 300 231
118
Глава 1
Самые значительные изменения претерпевает внепочечное выделение натрия, которое в морской воде составляет 840 мкэкв/(100 г-ч), после 1—2 дней пребывания в пресной воде падает до 19,4 мкэкв/(100 г-ч), а после 3—4 дней — до 5,7 мкэкв/(100 г-ч). В норме выделение натрия в морской воде составляет 16% его содержания в организме за 1 ч, еще выше оно у морской собачки Xiphister (23%) и у тиляпии Tilapia (66%) [200].
Выделение ионов костистыми рыбами в пресной и морской воде. Количество Na, выделяемого карпозубой рыбой Fundulus hete-roclitus, говорит о существовании как бы двух разных объемов, в которых содержится натрий: константа быстрой фазы выхода натрия (kF) равна 0,55 ч-1, а константа медленной фазы (k2)—0,16 ч-1. У другой морской рыбы, Pelates, найдена единая константа скорости; она равна 0,49 ч-1 в морской воде при солености 35°/оо и уменьшается до 0,18 ч-1 при солености Ю%0 [83]. Как правило, константы поступления (kn) и выделения (&в) уменьшаются при понижении солености, как показано, например, для Fundulus [273].
Среда ke (Na)
Морская вода 0,464 ч-1
40%-ная морская вода 0,135
Пресная вода 0,017
kn (Na)
Морская вода 0,261, или 20,5 ммоль/(кг-ч) Na
40%-ная морская вода 0,154
Пресная вода 0,012, или 0,58 ммоль/(кг-ч) Na
Эти данные свидетельствуют о том, что, когда рыба переходит из морской воды в пресную, обмен ионов у нее резко уменьшается.
Роль кишечника в обмене ионов может быть продемонстрирована с помощью изменения движения воды и ионов через стенку изолированного кишечника. Когда обе стороны изолированного участка кишечника морского подкаменщика Cottus scorpius омываются рингеровским раствором, процесс всасывания в нем достигает 11,5 мкэкв/(см2-ч) и сопровождается поглощением воды. Между двумя сторонами стенки кишечника нет заметной разности потенциала, что свидетельствует о существовании электронейтрального «насоса» [166]. Подобным же образом в перфузируемом in vivo кишечнике угря идет активное поглощение натрия, причем поглощение воды тесно связано с транспортом натрия, так что может идти против осмотического градиента. У морских угрей транспорт натрия, а вместе с ним и поглощение воды из почти изоосмотиче-ского раствора больше, чем у угрей, адаптировавшихся к пресной воде; оно превышает также и соответствующий транспорт в кишечнике лягушки или собаки [325] (см. таблицу на стр. 119).
У ряда рыб проводилось исследование баланса натрия и воды при разных соленостях. Концентрация Na в крови у морской собачки Blennius, обитающей в приливно-отливной зоне, составляла
Обмен воды: осмотический баланс, гормональная регуляция
119
Угорь в морской воде Угорь в пресной воде Лягушка, толстая кишка Собака, подвздошная кншка
Общий транспорт Na, 10~5 мэкв/(мм2-с) 6,03 2,77 1,03 2,01
Транспорт воды, 10-4 мкл/(мм2-с) 4,5 1,83 0,5—1
170 ммоль/л; в 100%-ной морской воде наблюдался обмен натрия, протекавший со скоростью 100 ммоль/л крови в 1 ч, тогда как в 10 %-ной морской воде он снижался до 20 ммоль/л крови в 1 ч. В норме кровь этой рыбы электроположительна по отношению к 100%-ной морской воде, и ее потенциал равен 23 мВ; по отношению
Na 4,0
Н2о 8,0
Na 54,3 H2O
Cl 67,5 Na 18,2 H2O 2477 \ \ Cl /8,8 2445
Na St,7
U C1 0,60
H2O 3,W
,4
Na 0,08
Cl O,OOZZ>
H2O 1,60
Na 9,23 H2O N&3./O ci 15,302585 H2O C\6,8O<^ \\ 2579
Na 6,72 N 0 67 ^9,00 Ci0\57
H2O 11,00
Рис. 1-35. Водно-солевой баланс у Xiphister: различные пути движения воды, Na и Cl у рыбы, находящейся в 100%-ной |(Д) или в 10%-ной \(Б) морской воде [108]. 100%-ная морская вода=480 мМ Na на 1 кг или 560 мМ С1 на 1 кг. Все величины даны в мМ (мл)/кг веса рыбы в сутки.
к 10%-ной морской воде она электроотрицательна, и ее потенциал равен 3 мВ. Следовательно, в морской воде С1~ активно выделяется, по-видимому, через жабры, а в 10%-ной морской воде, наоборот, поглощается [165]. Аналогичная картина, характерная для морской собачки Xiphister, представлена на рис. 1-35 [108]. Расчет, сделанный на основании сравнения потерь натрия в растворе маннита с потерями в морской воде, показывает, что 47% его потери в морской воде приходится на долю обменной диффузии; в 10%-ной морской воде этот тип потерь совершенно ничтожен.
Баланс поступления и выведения Na+ и С1~ рыбы-маслюка Pholis gunnelus, обитающей в приливно-отливной зоне, дан в табл. 1-5 [109].
Морской подкаменщик Cottas b abatis в пресной воде живет лишь несколько часов, а пресноводный вид Cottas morio не может жить в морской воде. Найдены следующие величины потока нат-
120
Глава 1
Таблица 1-5
Баланс поступления и выведения ионов у рыбы Pholis gunnelus
Поступление внутрь. ммоль/(кг-сут) Выведение, ммоль/(кгсут)
Na С1 Na С1
Морская вода
5,1 5,9 Питье -— —.
— — Моча 0,5 0,5
47,6 36,4 Диффузия и потенциал 37,5 5,6
64,3 25,1 Только диффузия 27,7 8,1
—— Активный транспорт Потенциал, +18 мВ 14,8 36,2
Пресная вода
0,14 0,16 Питье —— 0,6 5,3 5,8
— — Моча 0,5
7,2 3,7 Диффузия и потенциал 7,6
6,6 4,1 Только диффузия 8,3
0,69 1,87 Активный транспорт Потенциал, —6 мВ
рия в процентах от его количества, обмениваемого в течение 1 ч [Н6]:
Cottas bubalis Cottas morio В пресной воде 1,1 В морской воде 16
Cottas scorpius 12,5
Fundulis heteroclitus 1,4 29
Tilapia 4,9 55,5
По-видимому, С. scorpius и С. bubalis не могут настолько сократить потери Na, чтобы иметь возможность существовать в пресной воде, а С. morio не может настолько избавиться от избытка солей, чтобы переносить морскую воду.
Fundulus heteroclitus, в норме обитающая в море, хорошо переносит и морскую и пресную воду; удельный вес ее тела изменяется в соответствии с новыми условиями через 6 ч после перехода в морскую воду и через 24 ч после перехода в пресную. В пресной воде удельный вес тела уменьшается в основном за счет увеличения объема газа в плавательном пузыре; в морской воде происходит интенсивное поглощение натрия — 20 ммоль/ (кг • ч); примерно половина его поступает путем диффузии через жабры, а половина — с выпиваемой водой. В пресной же воде поглощение натрия составляет 0,6 ммоль/(кг-ч) и происходит целиком за счет активного поглощения. Проницаемость для Na снижается после нескольких минут пребывания в пресной воде; в течение нескольких часов пре
Обмен воды: осмотический баланс, гормональная регуляция
121
бывания в морской воде проницаемость для Na возрастает [273]. В жабрах Fundulus содержатся секреторные клетки с многочисленными митохондриями и хорошо развитой эндоплазматической сетью; последняя имеет (в морской воде) выпуклые дистальные пузырьки, в основаниях которых при специальном окрашивании выявляются хлориды (рис. 1-36 и 1-37). В жабрах же у пресноводной Fundulus нет дистальных пузырьков [263]. Предполагается, что эти клетки при обитании в морской воде активно секретируют С1~ (а вместе с ним и Na+); клеток, которые поглощали бы NTaCl из пресной воды, не обнаружено.
Другой вид рода Fundulus (F. kansae) найден в сверхсоленых озерах; эта рыба выживает в растворах, содержащих от 0,2 мМ Na и 0,1 мМ Са, вплоть до 250 %-ной морской воды. Она гораздо менее проницаема для Na: в морской воде поступление Na у нее равно 1,7 ммоль/(кг-ч) по сравнению с 20 ммоль/(кг-ч) у F. heteroclitus [274].
Изменения потока Na при разных значениях солености среды изучались у эвригалинной звездчатой камбалы Plathychthys [248]. Было обнаружено, что в морской воде обмен натрия составляет у нее 2,6 мкэкв/(100 г-ч). Обмен через жабры совершается двояким путем: в морской воде 85% Na переносится с помощью обменной диффузии и 15%—за счет экскреции. Возможные механизмы изменений проницаемости жабр для натрия обсуждаются в гл. 2.
В целом у стеногалинных видов, которые не переносят переселения в пресную воду, выделение Na довольно значительно: у Serranus — 58% общего содержания Na в организме на 100 г веса за 1 ч, у Uranoscopus — 51%, в то время как у эвригалинных Plathychthys—15,9% и Anguilla—19,2% [247]. Была обнаружена четкая зависимость деятельности почек от свойств среды: находясь в морской воде, организм реабсорбирует в большей мере воду, а находясь в пресной воде, — в большей мере соли, что обнаружено, например, у Plathychthys [200].
Фильтрация, мл/(кг-ч) Отношение моча/плазма, инулин мэкв/л моем
Na К С1
В морской воде Моча 0,24 4 59,7 2,5 145 275
Плазма В пресной воде Моча 0,42 2,3 142 30,4 3,4 1,2 168 36 297 90
Плазма 124 3 132 240
Имеются сведения и о реабсорбции некоторго количества растворенных веществ и воды в мочевом пузыре. Кроме того, различия в интенсивности выделения позволяют предполагать вовлечение в процесс различного числа гломерул.
122
Глава 1
Рис. 1-36. Хлоридные клетки в жабрах Fundulus, адаптированного к морской воде [263].
Три клетки находятся в одной апикальной полости (указано стрелками); аморфный материал в полости находится в стадии выделения. Эп — эпителий; ХК — хлоридная клетка.
Рис. 1-37. Хлоридные клетки Fundulus, адаптированного к морской воде [263]. С1 осажден при окрашивании сепаром.
Обмен воды: осмотический баланс, гормональная регуляция 123
При перемещении рыбы из морской воды в солоноватую изменяется не только проницаемость их жабр для Na и функции почек, но изменяется также распределение воды и ионов между клетками и внеклеточной жидкостью. Когда камбалу Pleuronectes переносили из 100%-ной морской воды в 75%-ную, у нее сначала наблюдалось увеличение объема внеклеточной жидкости, затем после урегулирования концентраций ионов в мышцах содержание азотистых компонентов изменялось таким образом, что при равновесии количество нингидринположительных веществ снижалось с 71 до 44 ммоль/кг, а количество триметиламиноксида — с 30 до 12 ммоль/кг; в то же время содержание Na уменьшалось с 14,7 до 10 мэкв, а С1 — с 41 до 30 мэкв [207].
Проницаемость для воды. Еще одно отличие пресноводных рыб от морских состоит в неодинаковой проницаемости их жабр для воды. Диффузионная проницаемость, измененная с помощью ТНО, в пресной воде выше, чем в морской. Осмотический приток, определяемый по различию объемов поступившей при питье и выделенной с мочой воды, также выше в пресной воде. Коэффициент проницаемости (диффузионный и осмотический) рассчитывается исходя из площади жабр. В табл. 1-6 приведено сравнение ряда констант, полученных для рыб, с константами, полученными для мембран некоторых амфибий [250].
Таблица 1-6
Коэффициенты проницаемости мембран у рыб и амфибий
Диффузионное поступление, мкл/(см2-ч) Поступление с питьем, мкл/(100 г-ч) Общий осмотический обмен, мкл/(мм2-ч) р OCM’ 104 см/С Р Диф’ 104 см/с
Адаптированные к морской воде Anguilla 64 325 —294 0,19 0,18
Platichthys 61 192 —145 0,14 0,17
Serranus 33 277 —207 0,10 0,10
Адаптированные к пресной воде Anguilla 91 135 4-403 0,79 0,25
Platichthys 97 37 4-250 0,70 0,27
Carassius 121 51 + 1394 2,08 0,34
Амфибии Xenopus, кожа Рапа esculenta, кожа мочевой пузырь Рапа temporaria, кожа Bufo bufo, кожа Bufo marinus, мочевой пузырь Степень влияния со. лености среды на i фоницае 2,8 5,6 7,5 3,3 23,6 6,9 !МОСТЬ Д о,з 0,55 1,0 0,65 1,48 0,95 ЛЯ ВОДЫ
У разных видов различна. У желтого угря Anguilla в пресной воде
124
Глава 1
обмен воды идет гораздо интенсивнее, чем в соленой, а у серебряного угря он в обеих средах одинаков [ПО]; у Pholis проницаемость для воды в 100 и в 20 %-ной морской воде одинакова [109]. Более низкая проницаемость для воды в условиях высокой солености может быть результатом влияния Са и Mg на жаберные мембраны (см. гл. 2).
У некоторых беспозвоночных (ракообразных Carcinus и Rhithropanopeus [331], червя Nereis [332]) при перемещении их из морской воды в пресную проницаемость для воды либо очень мало изменяется, либо уменьшается, подобно проницаемости для Na. У эвригалинных рыб различия более выражены: в морской воде их проницаемость для воды ниже, чем в пресной. Для рыб, по-видимому, более существенной является регуляция диффузионных потерь, поскольку их почки приспособлены для образования разбавленной мочи и в морской воде должен поддерживаться значительный градиент для воды в направлении внешней среды.
Влияние температуры. У некоторых морских рыб, которым приходится зимой переносить холода, при низких температурах происходят изменения осмотических и ионных свойств. У одних видов, обитающих близко к поверхности, где образуется лед, кровь замерзает при —1,5, —1,8 °C зимой и при —0,7, —0,8 °C летом; понижение температуры замерзания обусловлено наличием в крови растворенных органических веществ (см. гл. 9). У других видов, особенно у глубоководных, осмотические концентрации повышаются очень незначительно, что, однако, не мешает им переносить сильное охлаждение. В целом в крови морских рыб при низких температурах обнаруживаются более высокие концентрации ионов, чем при высоких температурах; у пресноводных рыб концентрация ионов крови зимой или при акклимации к холоду ниже, чем летом. У радужной форели осмотическая концентрация и содержание ионов хлора в крови выше при 5, чем при 15 °C. Результат подобных изменений как у морских, так и у пресноводных костистых рыб проявляется в незначительном уменьшении осмотической работы при низких температурах (см. гл. 10). Антарктическая рыба Trematotnus при низких температурах выделяет с мочой больше С1 и Na, а при высоких'—больше Mg.
Ферменты и гормоны. У многих животных в транспорте натрия принимает участие NaK-АТФаза, чувствительная к уабаину. Ее активность в жабрах морских костистых рыб довольно значительна, а в жабрах пластиножаберных и пресноводных костистых рыб мала. Активность этого фермента у угря при переходе из пресной воды в морскую удваивается (см. гл. 2). В процессы ионной и осмотической регуляции у рыб могут быть вовлечены также некоторые гормоны. Их роль обсуждается в конце настоящей главы.
Таким образом, как хрящевые, так и костистые рыбы обладают весьма богатыми возможностями осмотической регуляции. Пластиножаберные обитают главным образом в морской воде, однако сре
Обмен воды: осмотический баланс, гормональная регуляция
125
ди них встречаются и пресноводные виды; они в значительной степени гиперосмотичны, и высокая концентрация их крови поддерживается за счет незначительного выведения ионов с мочой. У некоторых видов очень активно функционируют ректальные железы, секретирующие соли. Морские костистые рыбы гипоосмотичны — в основном благодаря секреции солей через жабры. Пресноводные рыбы выделяют обильную мочу и активно поглощают соли через жабры. Эвригалинные рыбы, которые могут мигрировать из пресной воды в соленую и обратно, сохраняют относительное постоянство концентрации внутренней среды, изменяя свою проницаемость и свойства транспортных механизмов.
Амфибии
Экологические корреляции с осмо регуляцией
Одни виды амфибий постоянно обитают в воде, другие по крайней мере часть жизни проводят на суше. Яйца амфибий откладываются в воду или в сильно увлажненные места суши, такие, как скопление заплесневевших листьев, углубления между листьями, в которых собирается вода, и т. п. Головастики, только что вылупившиеся из яйца, поглощают воду в несколько раз интенсивнее, чем взрослые. Амфибии, живущие в пустынях, развиваются очень быстро, взрослые животные роют себе норы, которые покидают только во время дождя. Известно несколько видов лягушек, размножающихся в солоноватых водах, но ни один из них не является истинно морским видом.
Содержание воды у наземных и водных бесхвостых амфибий (жаб и лягушек) одинаково, но допустимая потеря воды при высыхании уменьшается следующим образом [300]:
Вид Местообитание Допустимая потеря воды, % веса тела
Scaphiopus hamniondi Норы 50; 60
Pseudacris sequita Деревья 58
Pana piplens Вода и суша 46; 52
Rana clamitans Вода 39
Rana septentrionalis Вода 35
Вес Rana pipiens, помещенной после обезвоживания в воду, увеличивается со скоростью до 12% веса тела за 1 ч; после значительной водной нагрузки (инъекции воды) скорость потери воды (т. е. возвращение к нормальному ее уровню) меньше скорости регидратации и прямо пропорциональна количеству избыточной воды в организме.
У водных саламандр процесс регидратации идет медленнее, чем у наземных видов; саламандры могут извлекать воду из почвы в объеме, пропорциональном степени их обезвоживания [337].
126 Глава 1
Пустынная жаба Bufo cognatus может накапливать в мочевом пузыре запас воды в количестве, достигающем 30% ее максимального веса. Другая пустынная жаба, Bufo punctatus, прижимается брюшком (в области таза) к содержащему влагу веществу и получает таким образом до 423 мг воды на квадратный сантиметр в час; ее мочевой пузырь также сохраняет воду, которая затем может быть использована при засухе [238, 239].
Потеря воды за счет испарения через кожу лягушки или саламандры составляет 7зо уровня испарения со свободной водной поверхности, однако превышает интенсивность испарения с миллипо-рового фильтра [155]. Скорость выведения воды в воздушную среду равна скорости ее выведения в раствор сахарозы, когда осмотический градиент эквивалентен градиенту упругости пара [224]. У солоноватоводной жабы Bufo marinus, обезвоженной на 80%, концентрация натрия в мышцах увеличивается на 43%, а в плазме— на 33%; если обезвоженной В. marinus ввести раствор NaCl, то поглощение воды через кожу у нее повысится, а потеря воды с мочой уменьшится ;[319].
Проницаемость кожи для воды у наземных видов амфибий меньше, чем у водных, и имеет следующие значения [61]:
Осмотический ток воды, мкл/(см2-ч)
Земноводное Lepidoba- В воде ad lib 502
ctracus На воздухе, 3 дня 44
Наземная Bufo В воде ad lib 441
На воздухе, 3 дня 372
Кровь лягушки гиперосмотична по отношению к прудовой воде; моча гипоосмотична по отношению к крови и более обильна в разведенной среде, чем в концентрированной:
^нар ^вн
—0,07°С От—0,44 до—0,56°C —0,17°С
Пустынная лягушка Scaphiopus во время засухи зарывается в песок и может оставаться там в течение 10 месяцев. Концентрация ее крови при этом составляет 456 моем, концентрация ионов хлора —126 мэкв и мочевины—148 мМ; при нормальной гидратации организма соответствующие показатели крови характеризуются следующими величинами: концентрация крови 326 моем, С1~ — 118 мэкв, мочевины — 69 мМ [239].
Солоноватоводная жаба Bufo marinus при обезвоживании использует воду из мочевого пузыря, причем отношение осмотических концентраций мочевой пузырь/плазма в этих условиях может приближаться к единице. Адаптация этого животного к солоноватой воде ведет к снижению количества образовавшейся мочи. И наоборот, при адаптации к пресной воде у него уменьшается выделение натрия через почки. Таким образом, у обезвоженной жабы происходит реабсорбция воды и натрия из мочевого пузыря. Уменьшение
Обмен воды: осмотический баланс, гормональная регуляция 127
объема также стимулирует реабсорбцию воды из мочевого пузыря [244]. В норме водяная шпорцевая лягушка Xenopus laevis является аммониотелическим (см. гл. 7) организмом; однако после 2— 3-недельного пребывания в солевом растворе содержание мочевины в ее крови повышается в 15 раз, выделение мочи сокращается, и она начинает выделять мочевину вместо аммиака. Гормон арги-нин-вазотоцин, обладающий антидиуретическим действием у живущих на суше амфибий и диуретическим у рыб, влияния на Xenopus не оказывает [237].
Движение воды и солей через кожу
Кожа лягушек обладает хорошо развитой способностью избирательно поглощать соли. Когда лягушек, в течение нескольких дней содержавшихся в дистиллированной воде и потерявших некоторое количество солей из тканей, возвращали в водопроводную воду или разбавленные солевые растворы, у них наблюдалось активное поглощение солей. Ионы хлора поглощались вместе с ионами натрия из растворов NaCl и без катиона.— из растворов КС1, NH4C1 и CaCU; Вг_ поглощался, а I- не поглощался [196]. В изолированной коже лягушки сохраняется функция активного ионного насоса. Натрий может поглощаться из среды, разведенной вплоть до 10~5 М, причем транспорт против значительного градиента идет с поглощением энергии и вызывает образование электрического потенциала. В прудовой воде (1,4 мМ Na) лягушки поглощают 4,5 мкэкв/(г-сут), что уравновешивает потери натрия [142]. Выведение натрия на 10% осуществляется через кожу, а на 90% —через почки. У головастиков до 22-й стадии развития жидкости тела заряжены отрицательно по отношению к внешней среде; позднее их заряд изменяется на положительный. В этот период внутренняя сторона изолированной кожи, омываемой со всех сторон раствором Рингера, также оказывается положительно заряженной. На ранних стадиях развития поглощение ионов происходит через жабры, а у взрослых амфибий—.через кожу [6]. В табл. 1-7 сравниваются солоноватоводные лягушки Rana cancrivora, обитающая в Южном Вьетнаме, жаба Bufo viridis из Юго-Восточной Европы и эвригалинная американская жаба В. boreas.
Повышение осмотической концентрации плазмы, связанное с мочевиной, наиболее значительно у R. cancrivora, менее выражено У В. viridis и наименьшее — у В. boreas, у которой сохранение ги-перосмотичности достигается увеличением концентрации С1. У Rana cancrivora гипотоничность крови и гипертоничность мочи по отношению к крови поддерживаются благодаря накоплению мочевины, уменьшению почечной фильтрации и увеличению реабсорбции воды в почечных канальцах (рис. 1-38). При переходе из пресной воды в 40%-ную морскую воду концентрация К в мышцах этого животного увеличивается только на 23%, а мочевины — на 770%; таким
128
Глава 1
Таблица 1-7
Осмотические концентрации в крови бесхвостых амфибий
Среда моем Na, мэкв Мочевина, мМ CL мэкв Источник данных
В. viridis Пресная вода 279 ИЗ 35,8 99 [137]
(Юго-Восточная Европа) 40%-ная морская вода 441 173 71,6 99
В. viridis 144 моем 618 моем 484 544 145 230 89 101 118 179 [308а]
R. cancrivora Пресная вода 290 122 40 113 [138]
(Вьетнам) 60%-ная морская вода 830 181 300 131
В. boreas Пресная вода 156 64 23,3 61 [137]
(Америка) 40%-ная морская вода 366 183 31,6 172
В. bufo Пресная вода 410 моем — 213 318 145 179 12,5 10,5 [308а]
R. temporaria Пресная вода 407 моем 510 104 172 5,9—11,7 4,4 75,4 134 [308а]
Наружная концентрация^ мосмолъ/л
Рис. 1-38. Осмотические концентрации и концентрации К, Na, CI и мочевины в плазме и моче у лягушки Rana cancrivora, акклим'ированной к различным соленостям среды {134].
Косая штриховка — СГ"; горизонтальная штриховка — Na+. квадраты — К+» незаштрихован-ное пространство — мочевина.
Обмен воды: осмотический баланс, гормональная регуляция
129
образом, мочевина компенсирует осмотические сдвиги, ионные же изменения минимальны [137, 138]. В противоположность Rana cancrivora и В. viridus такие виды, как R. temporaria и В. bufo, обладают ограниченными возможностями для выживания в солоноватой воде. У этих видов повышение осмотической концентрации крови происходит в основном за счет ионов, а не мочевины. Ни одна из амфибий не способна поддерживать гипоосмотичность крови с помощью внепочечной экскреции, как это происходит у морских костистых рыб.
Головастики амфибий являются, как правило, аммониотеличе-скими формами и переходят к выделению мочевины (уреогенезу) лишь с приближением метаморфоза (см. гл. 7). Концентрация солей у головастиков R. cancrivora в солоноватой воде высока; переход к уреогенезу происходит у них на 25-й стадии развития. Когда взрослую В. viridis переносят из пресной воды в 30%-ную морскую воду, активность аргиназы ее печени повышается, так как при этом происходит образование и накопление мочевины [150].
Функция почек; мочевой пузырь к ‘^1
Солевой состав тела амфибий поддерживается благодаря хорошо развитой способности их почек к удержанию солей. Почки Rana и Necturus представляют собой очень удобные объекты для изучения ввиду небольшого числа относительно крупных нефронов, входящих в их состав. Их гломерулы расположены в один слой ближе к внутреннему краю почек. Каждый клубочек соединен при помощи «перешейка», снабженного ресничками, с толстостенным проксимальным канальцем, переходящим в узкий вставочный каналец и затем в дистальный каналец, который открывается в собирательную трубку, Гломерулы и канальцы имеют раздельное кровоснабжение.
Объем гломерулярной фильтрации определяется по клиренсу особых веществ, которые не реабсорбируются, не задерживаются и не секретируются канальцами. Клиренс таких веществ можно представить формулой С=-р-, где С — количество (в мл) безбел-ковой плазмы, профильтрованной за единицу времени, U—концентрация искомого вещества в моче, V — объем мочи, образовавшейся за данный период времени, и Р — концентрация вещества в плазме. Клиренс веществ, которые фильтруются в гломерулах, но не реабсорбируются и не секретируются почечными канальцами, равен скорости фильтрации; клиренс веществ, которые в какой-то степени реабсорбируются (Na+, С1“ или глюкоза), меньше скорости фильтрации; клиренс веществ, секретируемых канальцами, например n-аминогиппуровой кислоты (ПАГ), больше 1, т. е. больше скорости фильтрации. У лягушек в нормальных условиях фильтрация протекает со скоростью 30 мл/(кг«ч).
9—1332
130 Глава 1
Из разных отделов нефрона можно брать содержащуюся в них жидкость и анализировать ее состав. Было показано, что как у лягушки, так и у Necturus концентраций сахара и ионов хлора в гломерулярной жидкости и в плазме крови одинаковы; плазменных белков в гломерулярной жидкости обнаружено не было. Давление, под которым идет фильтрация, определяется разницей между гидростатическим (29 мм рт. ст.) и коллоидно-осмотическим (белковоосмотическим) давлением (7,7 мм рт. ст.) крови. Поскольку содержание ионов хлора в фильтрате уменьшается на протяжении дистального канальца, реабсорбция С1_ должна идти именно в этом сегменте. Концентрация глюкозы уменьшается в начале проксимального канальца. После инъекции флоридзина реабсорбция.глюкозы прекращается и ее концентрация вследствие реабсорбции воды фактически увеличивается.
' Вода и. соли могут реабсорбироваться на протяжении всего канальца, т. е. и в дистальном - и в проксимальном его отделах. Закисление мочи происходит в дистальных канальцах. В дистальных же канальцах происходит и удаление солей; поскольку проницаё-мость для . воды стенок канальцев низка, моча получается гипото? пичной. Антидиуретический гормон (известный как aprHHHH-Ba30L тоцин, или АДГ), .выделяемый задней долей гипофиза, увеличивает проницаемость дистального канальца для воды и, следовательно, повышает концентрацию мочи, уменьшая ее объем.
‘ ' У лягушки-быка Rana catesbiana обратное всасывание воды Происходит менее интенсивно, так что клиренс мочевины в 7— ГО раз выше, чем скорость фильтрации; отсюда .следует, что некоторое количество мочевины должно секретироваться клетками канальцев. Мочевина может секретироваться клетками , канальцев,-если на почечные зртерии наложена лигатура и функционирует только почечное портальное кровообращение.
Канальцы могут секретировать также введенные в организм красители, такие, как феноловый красный.
. У тритона Necturus около ЗО°/о профильтрованного NaCl реабсорбируется. в проксимальных канальцах^ Опыты с изолированными канальцами показали, что Na может абсорбироваться против электрического и концентрационного градиентов [123]. В соответствии с транспортируемым Na в обходных анастомозах канальцев должен идти эквивалентный поток, поэтому всасывание можно заблокировать уабаином или ДНФ. Вода также абсорбируется, о чем свидетельствует повышение концентрации инулина в канальцах. Поглощение К в норме очень невелико — поступление идет со скоростью 52 пМ/(см2-с), а выход — 49 пМ/(см2-с). Если учитывать движение воды, то можно считать, что общее поглощение калия и хлора происходит пассивно, а поглощение натрия — активно. Изменяя осмотическую концентрацию в канальцах, удалось замерить поток воды; было установлено, что он равен 0,15-10-8 мл/(см2-с) на 1 см вод. ст. Пассивное движение воды пропорционально транс-
Обмен воды: осмотический баланс, гормональная регуляция 131
порту Na- Однако у интактных пресноводных амфибий и рыб Отношение моча/кровь для инулина составляет соответственно 1,1 и 1 3; это заставляет предполагать, что здесь имеет место реабсорб-: дня Очень малого количества воды; данные, полученные в бпйтах' in vitro, могут отражать развитие антйДиуретйЧескдй реакций [189].' ’
Активный транспорт у амфибий идет не только через кожу‘ и’ почечные канальцы, но и через мочевой пузырь. У пустынных бесхвостых амфибий количество транспортируемой через мочевой пузырь воды соответствует примерно 50% веса тела, у Тропической* В. marinus — 25%, а у водной Xenopus— только* 1 %. После адаптации В: marinus к солоноватой воде Образование мочи у Неё уменьшается; концентрация Na в моче, взятой Из клоаки, оказывается в 10—12 раз выше, чем в моче из мочеточников (т. ё. При обезвоживании организма вода абсорбируется Из мочевого пузыря).1 В состоянии же гидратаций реабсорбируется натрий. Уменьшившийся объем крови таюйе стимулирует реабсорбцию' воды из мочевого пузыря [244].
Рептилии
Класс рептилий представляет собой Тетерогёйную груййу жй-* вотных, в-которую входят обитатели моря, пресной воды, сухихй влажных мест на земле. Раньше считали, что’ роговая чешуя рёп-тилйй ограничивает потери воды, связанные с испарением; Однако недавние эксперименты показали, что скорость испарений у нйх почти так же велика, как и у некоторых амфибий; Через кожу по-груженных в воду, рептилий внутрь организма может поступать довольно много воды. Результаты экспериментов ё тритированной водой Также свидетельствуют о значительной проницаемости КОЖИ' пресмыкающихся [23]. ”
Потеря воды с испарением четко связана с экологическими особенностями рептилий. Испарение воды через кожу характеризуется следующими цифрами (в мг/(см2-ч)): субтропический Spheno-morphus — 0,25;Anolis— 0,19; Gehyra— 0,21; полупустынная Uta,— 0,10; Sauromalus— 0,05 [66]. Точно так же змеи, обитающие в пустыне, теряют очень мало воды, тогда как виды из тропических лесов, где часты дожди, испаряют воду в больших количествах. На воздухе доля испарения через кожу у водных рептилий выше, чем у пустынных ящериц. Она составляет 87% у Caiman, 78% у Pseudemys, 72% у Iguana, 66% у пустынной Sauromalus [22, 23} и 76% у Anolis и Uta [66]. На втором месте стоит потеря воды с дыханием. Интенсивность испарения на воздухе пропорциональна Дефициту насыщения водой. Черепаха с мягким панцирем Trionyx в 4 раза более проницаема для воды, чем обладательница рогового панциря Pseudemys. Потеря воды через легкие у двух ящериц, обитающих в пустыне, составляет половину (в % от общей потери воды) величины, теряемой сцинком [89]. Испарение воды зависит от 9»
132
Глава 1
температуры в большей степени у тех ящериц, которые имеют высокие температурные преферендумы [348]. Испарение через участки кожи в сухой атмосфере составляет 0,5 мл/(см2-ч) у Lacerta, но 8,3 мл/(см2-ч) у Rana. У рептилии Uromastrix ток воды через кожу увеличивается при воздействии АДГ, как и у амфибий Rana и Bufo. Поведение рептилий также направлено на выбор таких условий температуры и влажности, которые могут свести потери воды к минимуму.
Осмотическая концентрация крови у рептилий, как правило, выше, чем у амфибий, но почти равна осмотической концентрации крови птиц и млекопитающих. Для крови рептилий характерны следующие значения температуры замерзания: морская черепаха Caretta —0,66; наземная черепаха Testudo —0,6; уж —0,68; пустынная ящерица Trachysaurus —0,65 °C.
Пресноводные рептилии могут активно поглощать ионы. Черепаха с мягким панцирем Trionyx активно поглощает натрий из разбавленной (5 мкМ) среды, вероятно, через глотку |[100, 101]; у нее нет активного поглощения К или С1.
Рептилии выделяют небольшое количество мочи, причем моча змей и ящериц может быть твердой или полужидкой. В каком органе происходит реабсорбция воды, еще не известно (возможно, в клоаке). У аллигатора выделение мочи равно 0,4—1,2, а у Rana — 1,5—2,0 мл/(кг-ч); гломерулярная фильтрация составляет у аллигатора 1,5—3,4 против 2,8—4,0 мл/(кг-ч) у лягушки. В состоянии нормального насыщения водой ящерица Trachysaurus образует на 1 кг веса 5,7 мл мочи в час, а при обезвоживании — только 0,24 мл/ч.
Водная черепаха Pseudemys является уреотелическим организмом; обезвоживание уменьшает у нее гломерулярную фильтрацию, повышает реабсорбцию воды и уменьшает выделение мочи. Наземная черепаха Gopherus, напротив, относится к урикотелическим организмам и не обнаруживает анурии при обезвоживании до тех пор, пока осмотическая концентрация крови не поднимется по крайней мере до 100 моем [86]. У Gopherus в клубочках моча гипоос-мотична, а в мочевом пузыре изоосмотична, т. е. в мочевом пузыре идет реабсорбция воды. При переносе солоноватоводной черепахи Malacletnys из раствора с 3,3 %-ной соленостью в пресную воду объем ее мочи повышается с 0,44 до 2,4 мл/(г-сут), а осмотическая концентрация мочи снижается с 207 до 57 моем. Реабсорбция ионов может идти и в клоаке. В пресной воде в почках крокодила образуется гипоосмотическая моча; скорость ее образования равна 3,5 мл/(кг-ч); в клоаке из мочи реабсорбируется натрий, и в течение 3 ч его концентрация может упасть вдвое ;[22].
При нормальной водной нагрузке скорость гломерулярной фильтрации у крокодила составляет 9 мл/(кг-ч), а в проксимальных канальцах реабсорбцруется примерно половина жидкости и более половины натрия. ’
Обмен воды: осмотический баланс, гормональная регуляция
133
Сравнительные данные, характеризующие скорость гломерулярной фильтрации и отношение осмотических концентраций мо-ча/плазма у рептилий и лягушки, находящихся в состоянии нормальной гидратации, приведены в нижеследующей таблице.
Животное Моча/плазма, осмотическая концентрация Скорость гломерулярной фильтрации, мл/(кгч)
Лягушка (Rana) 0,2 34,2
Черепаха (Pseudemys) 0,62 4,7
Пустынная черепаха ,(Gophe- 0,34 4,7
Геккон (Hemidactilus) 0,64 10,4
Жабовидная ящерица (Phrynosotna) 0,93 3,5
Ящерица (Tropidurus) 0,91 3,4
Крокодил (Crocodylus) 0,82 9,6
У крокодила в проксимальных канальцах происходит реабсорбция некоторого количества воды и натрия, однако большая часть Na+ и С1~ и немного воды (но не NHt) реабсорбируются в клоаке.
моем Na Cl nh4
Моча из мочеточни- 234 61 45 53
ков, мэкв Моча из клоаки, мэкв 251 5,9 16,5 118
Реабсорбция воды в клоаке может происходить за счет высокого коллоидно-осмотического давления в крови [305].
Пресноводная змея Natrix в воде выделяет с мочой около 10% профильтрованного Na и 60% К. Отношение концентраций мо-ча/плазма для инулина повышается, а отношение аналогичных концентраций для натрия уменьшается, следовательно, дистальные канальцы реабсорбируют воду и натрий [85]. При меняющихся водных нагрузках уровень выделения контролируется различным числом функционирующих канальцев и скорость фильтрации может изменяться в 10 раз [208]. На процесс реабсорбции, происходящий в дистальных канальцах оказывает влияние АДГ. Скорость гломерулярной фильтрации у змеи Pituphis гораздо меньше, чем у водяной змеи Natrix-, инъекция гипертонического солевого раствора увеличивает фильтрацию у Pituphis, но не влияет на фильтрацию у Natrix или же снижает ее [194].
У жабовидной и галопагосской ящериц реабсорбируется около 55% гломерулярного фильтрата; гекконы реабсорбируют 75%. У первых двух видов канальцевые клетки лишены складок и имеют мало митохондрий; у геккона же, напротив, эти клетки имеют
134
Глава 1
складчатое строение и содержат большое количество митохондрий '[293]. В клоаке Iguana и ящерицы Varanus происходит реабсорбция -воды; аргинин-вазотоцин увеличивает абсорбцию путем повьр тения как проницаемости для воды, так и транспорта Na [53].
Бугорчатая черепаха Malaclemys centrata живет в соленых болотах и эстуариях. Содержание Ыа и С1 в ее крови повышается при переходе из пресной воды в солоноватую, а после перехода из солоноватой воды в морскую у Нее отмечается значительное повышение содержания мочевины [127].
Na, мэкв С1, мэкв К, мэкв Мочевина, мМ моем
Пресная вода 50%-ная морская вода Морская вода Кровь Моча Кровь Кровь Моча 129 4,4 156 163,4 7,9 88 113 \ 136,6”' 3,1 16,8 4,1 3,8 59,7 21,5 22 30,1 115 107,4 309 107 355,5 458,8 372
Пример исключительной устойчивости к пересыханию представляет собой австралийская пустынная ящерица Amphibolorus, которая обитает в сухих жарких районах и питается богатыми натрием муравьями. Натрий накапливается во внеклеточной жидкости, в которую перемещается и вода из клеток; в течение жаркого лета объем внеклеточной жидкости у нее уменьшается с 33 до 25,4% объема тела. С началом дождей объем жидкости восстанавливается, а натрий выделяется. Таким образом, задержка натрия предохраняет ящерицу от потерь воды, хотя осмотические концентрации должны прй этом в значительной степени изменяться [49, 50].
Внепочечное выделение солей осуществляется носовыми железами, которые обнаружены у ложной каретты, крокодилов, морских змей и ящериц. У игуаны Ctenosaura секрет носовых желез может содержать в 190 раз больше натрия, чем плазма крови; образование секрета может идти со скоростью 190 мкл/ч. Инъекция NaCl усиливает выделение калия через эти железы. У Sauromalus отношение Ксекр/Кплаз равно 77,2, а аналогичное отношение для Na равно 0,67. У Ctenosaura отношение секрет/плазма для К равно 69,. а для Na — 0,43 [347]. После введения NaCl начинает секретироваться Na, причем у травоядной Dipsosaurus интенсивнее, чем у Sceloporus. У морской змеи Laticauda солевая секреция через железы может стимулироваться инъекцией NaCl или сахарозы, т. е. зависит от осморецепторов. Максимальное выделение Na составляет 72 мкмоль/(100 г-ч); для К эта величина равна 3 мкмоль/(100 г-ч) £102]. Морская черепаха выделяет через солевые железы больше К и Na, чем через почки, и не может поддерживать водный баланс только за счет одной почечной экскреции. Секрет солевой железы; крупной черепахи содержит 685 мэкв Na и 21 мэкв К на 1 л [163]л
Обмен воды: осмотический баланс, гормональная регуляция Г35
Ниже для сравнения приведены концентрации секретов солевых желез у нескольких рептилий [101, 102].
Na, мМ Cl, мМ К, мМ Отношение Na/K
Морская игуана Amblyrhynchus 1434 1256 235 6,7
Наземная игуана Conolophus 692 486 214 3,4
Морская змея Palamis 607 627 28 21,7
Морская черепаха Lepidochelys 713 486 29 24,5
Как правило, наземные рептилии содержат много калия, а морские, подобно птицам, секретируют много натрия. Это, вероятно, можно объяснить высоким содержанием К в растениях, составляющих основную пищу рептилий; морские же игуаны питаются водорослями.
Птицы
Большинство птиц имеют доступ к пресной воде. Однако некоторые из них живут в пустынях, питаясь сухими семенами, и должны обходиться только той водой, которая образуется у них в результате обмена веществ (метаболической водой). Другие птицы, живущие на соленых болотах илина море, также испытывают трудности с получением пресной воды. Обмен веществ протекает у. птиц-очень активно, поэтому потери воды с дыханием у них довольно значительны. Клоакальная моча может представлять собой вязкую массу кристаллов мочевой кислоты; реабсорбция воды может происходить в почках, клоаке и в нижних отделах кишечника.
У мелких птиц потеря воды (в процентах от веса тела в сутки) при питании семенами выше, чем у крупных птиц, и возрастает быстрее, чем происходит образование метаболической’ воды [14] (рис. 1-39). В группе птиц, которые в норме имеют доступ к пресной воде, а в эксперименте получают солевой раствор, Объем поглощаемой в течение дня жидкости возрастает до величины, равной весу тела; максимальное отношение моча/сыворотка для С1~ равняется 1,9 у траурного голубя и 2,4 у чечевичника [278] (рис. 1-40). Калифорнийский перепел выпивает постоянное количество воды независимо от ее солености. Подвид воробья из саванны, под названием beldingii, обитающий в соленых болотах, и волнистый попугайчик при повышении солености жидкости сокращают ее потребление. Концентрация мочи этих птиц может достигать значительного уровня. Из двух подвидов упомянутого выше воробья подвид beldingii способен сохранять свой вес при концентрации 0,6—0,7 М NaCl, тогда как подвид brooksi начинает терять вес при 0,3 М NaCl [279].
Красный клест, утоляя жажду, поглощает за сутки воду в количестве, доходящем до 22% веса его тела. В эксперименте, когда
136
Глава 1
Рис. 1-39. Зависимость величины ежедневной потери воды у птиц от весд Их тела при окружающей температуре 25 °C {14].
1 — Troglodytes aedon; S — Esrtrllda troglodytes; 3 — Taeniopygia castanotis; 4 — Carpodacus-mexicanus; S — Passer domesticus; 6 — Zonatrichia leucophrys; 7 — Pipilo maculatus; 8 — Pipi-to aberti; 9 — Chordeles acutipennis; 10—Phalaenoptilus nuttallli; 11 — Pipilo fascus; 12Lantus ludovicianus; 13 — Richmendena cardinalis; 14 — Mimus polyglottos; 15 — Toxostoma re-divivum; 16 — Otus asio; 17 *— Zenaidura macroura; 18 — Lophortyx californicus.
Свободное Jlucrnunmipo- 0,3 0,4 0,5 0,6
содержание ванная бода — Молярность (/VaClj—a*-
Рис. 1-40. Осмотические концентрации мочи и сыворотки крови у саванного воробья, получавшего различные растворы для питья (обозначенные на оси абсцисс)) в достаточном количестве [279].
Обмен воды: осмотический баланс, гормональная регуляция
137
имеется доступ только к солевому раствору, он с повышением концентрации раствора увеличивает его потребление, пока эта концентрация не достигнет уровня 0,25 М NaCl; при более высокой концентрации раствора его потребление уменьшается. Эта птица при выборе между 0,1 М NaCl и пресной водой не оказывает предпочтения ни тому, ни другому, но легко отличает воду от 0,2 М раствора NaCl.
Некоторым обитающим в пустыне птицам необходимо очень небольшое количество воды, и они обходятся метаболической водой. Австралийский зебровый ткачик прекрасно живет, питаясь лишь сухими семенами, но, получив доступ к воде, он поглощает ее в количестве 24 мл/(100 г-сут). Африканский воскоклювый ткачик, наоборот, при питании только сухими семенами погибает, так как в норме он потребляет до 42 мл воды на 100 г веса тела в сутки [60]. Общий водный баланс у жаворонка из юго-западной африканской пустыни, весящего 16 г, складывается из поглощения 1,9 г семян в сутки, часть веса которых — 0,17 г — приходится на воду, и метаболической воды — 0,93—1,1 г. Ежедневно он теряет 1,38 г воды за счет испарения (в основном с дыханием) и от 0,37 до 1,75 г выделяет с экскрементами. Следовательно, он должен компенсировать потерю примерно 0,65 г воды, поедая зеленые растения и насекомых [379]. Зебровый ткачик, питающийся сухими семенами, будет пить 0,2 М раствор NaCl, но не 0,3 М; отношение концентраций моча/плазма для С1~ может достигать у него 2. В условиях сильной влажности потеря воды путем испарения через кожу у ткачика уменьшается, но обязательная потеря с дыханием составляет 0,54 мг воды на 1 мл потребленного кислорода [209]. Выделения воробья в норме состоят на 81% из воды; однако, если его содержать на безводной диете, содержание воды в них уменьшится до 57% [333].
Почки кур могут изменять осмотическую концентрацию мочи в зависимости от насыщения организма водой и в отличие от почек низших позвоночных могут вырабатывать мочу, гиперосмотичную по отношению к крови. В состоянии насыщения водой скорость гломерулярной фильтрации и выделения мочи у них увеличивается, превышая скорость этих процессов, наблюдаемую при обезвоживании. Отношение осмотических концентраций моча/плазма у кур составляет 0,37 при водной нагрузке, 1,1 при солевой и 1,6—2,0 при 'обезвоживании. В почках обезвоженных кур и индюков существует повышающийся градиент осмотической концентрации от 447 моем в корковом слое до 463 моем в мозговом слое и 522 моем в моче [326].
Вливая в клоаку воду и натрий, попадающие затем в толстую кишку, показали, что в кишечнике происходит всасывание некоторого количества натрия и воды; при концентрации выше 80 мэкв всасывание натрия от его концентрации не зависит, а всасывание воды идет в соответствии с градиентом. При обезвоживании орга-
138
Глава 1
низма 50% натрия и 15% воды из мочи мочеточников могут абсорбироваться в клоаке и толстом кишечнике [324].
Na, МЭКВ/(кг-мин) к, мэкв/(кг-мин) С1, мэкв/(кг-мин) н2о, мкл/(кг-мин)
Моча из мочеточников 3,58 1,21 1,66 17,94
Выделенная моча 1,26 1,43 0,92 7,39
Однако в состоянии нормальной гидратации всасывание в клоаке совсем невелико.
У кур выделяемая моча может за счет обратного всасывания в почках, клоаке (и кишечнике) стать гиперосмотичной. При переходе организма из состояния обезвоживания в состояние нормального насыщения водой скорость гломерулярной фильтрации повышается на 23%, выход мочи увеличивается с 20 до 300 Мкл/(кг-мин), а отношение моча/плазма падает с 1,58 до 0,3 [323]. У кур инъекция аргинин-вазотоцина снижает выход мочи на 23%, увеличивает осмоляльное отношение моча/плазма с 0,33 до 1,11 и уменьшает выделение NaCl на 20% по сравнению с 50% —у лягушки и 25% — у ящерицы. Максимальное осмоляльное отношение моча/плазма при обезвоживании составляет у курицы 1,58 [7].
Морские птицы — чайки, бакланы и пеликаны — и многие разновидности домашних кур и уток имеют носовые железы, представляющие собой орган внепочечного выделения солей. Водно-солевой баланс у бакланов и чаек характеризуется следующими значениями:
С1, мэкв Na, мэкв К, мэкв Н2О, мл
Баклан, получивший 60 г рыбы и 3 г NaCl Поглощение 54 . 54 4 50
Выделение через клоаку 27,5 25,6 2,7 108,9
Выделение через носовые 26,1 23,8 0,3 51,4
железы Чайка, получившая 0,5 г NaCl Плазма Железы неактивны Железы активны 124 154 169 190 4,5
Жидкость из носовых же- 690 783 37,8
лез Клоакальная жидкость 191 184 18,2
Чайки даже в отсутствие осмотического стресса выделяют большие количества Na+ и К+ внепочечным путем [170].
У уток концентрация Na в секрете носовой железы может быть в 7 раз, а концентрация К — в 3 раза больше, чем в моче. Секрецию можно стимулировать солевой нагрузкой или гиперосмотиче
Обмен воды: осмотический баланс,, гормональная регуляция
139
ским раствором сахарозы, так как оба воздействия вызывают увеличение объема плазмы путем извлечения воды из тканей. У утки Anas эту секреторную реакцию можно снять путем адреналэктомии или стимулировать инъекцией глюкокортикоидов, экстрагированных из коры надпочечников [162]. Секреция блокируется также холинергическими агентами, такими, как метахолин [351]. Содержимое железы заряжено положительно по отношению к крови; уабаин ингибирует транспорт Na и снимает положительный потенциал [351]. Размеры солевых желез уменьшаются у разных групп птиц в следующем порядке: морские>солоноватоводные>преснородцые, Имеются следующие данные о секреции [385],
Животное ^saKteps плазмы, °C ^замерз секрета, °C Концентрации секрета, мэкв
Na К
Серебристая чайка —0,77 —3,46 775 34
Larus Арктическая крачка —0,68 —2,96 765 33
Чистик Кулик-сорока —0,73 —0,70 —3,37 —3,72 836 90
Некоторые живущие в пустыне птицы, такие, как африканский страус и пустынная куропатка, выделяют через носовые железы жидкость, которая содержит больше калия, чем натрия.
Мембраны клеток носовых желез имеют складчатое строение; их глубокие складки направлены от основания к вершине, образуя каналы, проходящие через всю клетку. Между складками расположено много тонких митохондрий [95, 195].
Обычно секреция через солевые железы возбуждается холин-ергическими нервами, поэтому на нее можно весьма эффективно влиять с помощью инъекции ацетилхолина. В гомогенатах солевых желез ацетилхолин вызывает образование фосфатидной кислоты. Срезы железы под воздействием ацетилхолина аккумулируют натрий. В экстрактах солевых желез преобладает NaK-АТФаза, кото-1 рая, вероятно, участвует в транспорте натрия [160]. Очевидно, можно считать, что первой стадией образования секрета является накопление натрия, а второй стадией — транспорт его внутрь железы, вероятно, с помощью NaK-АТФазы.
Млекопитающие
Пути потери воды
Наличие регуляции водного баланса у млекопитающих позволяет им хорошо переносить влажный и сухой воздух, пресные и соленые воды, а также большие колебания температуры. В условиях
140
Глава 1
осмотического стресса и обезвоживания млекопитающие поддерживают водный баланс путем изменения интенсивности поглощения воды и контроля всех возможных путей ее выделения. У млекопитающих лучше, чем у птиц, развита способность к образованию гиперосмотичной по отношению к крови мочи и нет других внепо-чечных путей выделения солей, кроме как с потом.
Так, человек весом 70 кг ежедневно теряет 600—2000 мл воды с мочой, 50—200 мл с фекалиями, 350—700 мл при испарении через кожу, 50—400 мл с потом и 350—400 мл через легкие. Кормящая мать может дополнительно терять 900 мл воды с молоком. Таким образом, в норме общая ежедневная потеря воды колеблется от 1 до более чем 9 л (в тропиках до 12 л в день) в зависимости от температуры, физической нагрузки, насыщения водой и других факторов. Эта потеря воды должна восполняться выпиваемой водой, водой пищи и водой, образующейся в процессе обмена веществ.
У большинства млекопитающих концентрация плазмы составляет 0,3 осмоль т. е. эквивалентна 0,95%-ному раствору NaCl или Двн=—0,8°C). У человека концентрация мочи обычно приближается к 0,65 осмоль, максимальная же концентрация мочи у испытывающего жажду человека близка к 1,4 осмоль (Дмочи=-—2,6°С) 1[382].
Проницаемость кожи для воды у млекопитающих очень мала; это способствует уменьшению потери воды с испарением на воздухе и избыточной гидратации в воде. Однако у многих млекопитающих испарение (либо в результате функции потовых желез, либо» благодаря учащению дыхания) служит средством охлаждения организма. В определенных условиях эти потери могут стать критическими. У человека потеря воды при незаметном испарении через кожу связана нелинейной зависимостью с давлением паров в окружающем воздухе [133]. У мелких млекопитающих, как, например,, у грызунов, испарения, с которым связано охлаждение тела, либо вообще нет, либо оно очень мало.
У человека потеря 10% воды ведет к серьезным патологическим изменениям, а мышей, верблюдов и овец потеря 30% воды приводит к гибели. Находясь в воде, человек может поглощать ее через кожу, в основном за счет набухания рогового слоя. У верблюда лактация может удвоить уровень водного обмена и серьезно истощить водный запас.
Бобр Aplodontia в норме поглощает количество воды, равное 32,7% веса тела, в сутки [254, 303], Обитающий в пустыне грызун Liomys salvani из семейства прыгунов выпивает количество воды, составляющее до 5,7% веса тела в сутки [168]. Чтобы поддержать водный баланс в условиях жары, один из видов антилопы—водяной козел — должен поглощать воду в количестве, равном 12% веса тела в сутки. Ректальная температура у нормально гидратированных копытных в тропической Африке ниже температуры окру
Обмен воды: осмотический баланс, гормональная регуляция
141
жающего воздуха, однако при обезвоживании у газели и сернобыка она приходит в соответствие с окружающей температурой. Обезвоживание снижает скорость потоотделения и частоту дыхания и повышает критическую температуру, при которой начинается учащенное дыхание [345]. Сомалийский осел в состоянии 20—22%-ного обезвоживания перестает принимать пищу; осел может вынести потерю воды до 30% веса своего тела и может выпить в течение 2—5 мин от 24 до 30 л воды, восполняя ее потерю. В сравнимых условиях летом верблюд благодаря испарению теряет воду в количестве равном 1 % веса тела в день; у осла аналогичная величина составляет 4,5%, у человека — 7%. Потери воды через легкие и кожу в нейтральных условиях приводятся ниже.
Грызун Liomys Белая крыса Человек
Грызун Dipodomis
Грызун Perognathus
мг воды на 1 мл потребленного кислорода
0,9—1,0
0,94 0,84 0,54
0,5
Концентрации К, Na и воды в поте и моче находятся в обратной зависимости, т. е. когда пот обилен, он более разбавлен; в этих условиях объем мочи сокращается, а ее концентрация повышается.
Дельфин Tursiops теряет с испарением только 30% того количества жидкости, которое теряется сравнимыми видами наземных млекопитающих. Если считать, что выдыхаемый воздух содержит то же количество воды, что и альвеолярные воздушные полости, то дельфин весом 140 кг должен терять 290 г в день, тогда как в действительности потери с испарением составляют 60 г в день. Скорость вентиляции в этом случае мала, а потребление кислорода велико. К тому же температура в верхней части дыхательного тракта дельфина на 9 °C ниже, чем в легких; конденсация, вызываемая таким перепадом температуры, способствует сохранению до 80% воды, имеющейся в выдыхаемом воздухе [77].
Для каждого из различных комплексов наземных условий можно подобрать группу обитающих в них млекопитающих с уменьшающимся водным обменом, измерявшимся при сравнимых условиях. В каждой группе наибольшим водным обменом обладают животные с активным обменом веществ [22]. Некоторые из этих групп Приведены в табл. 1—8.
У верблюда в условиях пустыни время полужизни тритированной воды составляет 12,2 сут зимой и 6,4 сут летом. Очевидно, в каждом климате существуют какие-то виды, которые лучше других приспособлены к условиям той или иной экологической ниши.
У тюленя Phoca общий обмен воды равен 0,5—1,8 л в 1 сут. Количество воды, образующейся у него в процессе обмена ве-
I лава 1
Таблица 1-8
Обмен воды у некоторых наземных животных
Климат Животное Обмен воды, мл/(кг-сут)
Влажные тропики Bos bubalos (бык-буффало) Bos taurus (короткорогий бык) Bos indicus 200 161 123
Сухая пустыня Крупный рогатый скот Овца Коза Верблюд 135 107 96 61
Арктика (Аляска) ; Северный олень Американский олень Овца Мускусный бык 128 111 62 35
Пустыня Сумчатые: Sminthopsis crassicaudata Dasy cercus cristicaudata Das у cercus byrnei 461 134 125
ществ, превышает количество воды, получаемое с пищей, при малой скорости .ее потребления; однако, когда тюлень съедает много рыбы, это отношение становится обратным [91]. Сумчатая крыса Trichosurus вылизывает свою шерсть для охлаждения тела испарением, но если она по какой-то причине не может этого сделать, го у неё увеличивается частота дыхания, в результате чего общее Охлаждение путём испарения сохраняется на более или менее постоянном уровне [87]. Питающаяся рыбой летучая мышь Pizonyx испаряет 12—.14 мл воды на 1 г веса в 1 ч, или 1,2—3,7. мл в . сут; 1,3. мл воды она теряет с фекалиями и около 6,35 мл — с мо-юй. 13 г съеденных рачков обеспечивают ей 11,3 мл воды т. е. фак-'ичёски поддерживают водный баланс.
Объем воды, выводимой с фекалиями, у млекопитающих силь-:о варьирует. Фекалии верблюда, не имеющего возможности пить оду, содержат 76 г воды на 100 г сухого веса; верблюд, получив-зий доступ к воде, выделяет фекалии, содержащие 109 г воды а 100 г сухого веса. В фекалиях белой крысы на 100 г сухого веса одержится 225 г воды, а у пасущейся коровы — более 566 г. Вер-люд весом 400—500 кг (при наличии или отсутствии питьевой во-ы) может выделять 1,5 л мочи в 1 сут, тогда как пасущиеся жи-отные выделяют от 0,5 до 8 л в 1 сут. Лишенный питьевой воды, итающийся только сухими финиками и сеном, верблюд теряет в учение 8 сут около 17% своего первоначального веса или 30% .идкости тела; это соответствует потере 30% межклеточной или
Обмен воды: осмотический баланс, гормональная регуляция 143 24% внутриклеточной воды [306]. Верблюд использует воду, запасенную в рубце, для охлаждения [221]. Осел может потерять 1300 г воды с фекалиями и 1—1,2 л с мочой, т. е. около 2,5% веса тела в день.
Водный обмен жвачных животных при температуре 41 °C (в пустыне), измеренный с помощью ТНО, характеризуется следующими цифрами [мл/(кг-сут)]: верблюд — 41, мериносная овца — ПО, шортгорнский крупный рогатый скот— 148. У верблюда охлаждение тела достигается с помощью потоотделения, которое идет со скоростью 300 мл/(м2-ч); с мочой же выделяется при любой пище 2—3 мл/(кг-сут). Концентрация мочи у верблюда равна 3,7 моем по сравнению с 3,8 моем у обезвоженных овец [221].
Возврат в нормальное состояние после обезвоживания — при свободном доступе к воде — происходит у разных млекопитающих по-разному: так, верблюд может восполнить большой дефицит воды за 10 мин и в один прием выпить количество воды, составляющее до 25% веса его тела; крыса может выпить даже больше воды, чем содержит ее в состоянии нормальной гидратации. У человека восстановление нормы обычно идет медленно [2]. Время, необходимое для выделения сопоставимых количеств воды, также сильно варьирует: чтобы выделить 40% выпитой воды (в количестве 5 мл/100 г), пустынной кенгуровой крысе Dipodomys требуется 367 мин по сравнению с 84 мин, затрачиваемыми белой крысой [63].
Некоторые живущие в пустыне грызуны и сумчатые (так же как овцы и верблюды зимой) не нуждаются в питьевой воде, так как им вполне достаточно воды, образующейся в ходе процессов обмена веществ. У грызунов, которые проводят весь день в норах, потери воды через легкие снижаются на 25% • У кенгуровой крысы Dipodomys, дышащей сухим воздухом, потери воды с испарением через легкие составляют 0,54 мл на 1 мл потребленного кислорода по сравнению с 0,84 у человека и 0,94 у лабораторной крысы.
У кенгуровой крысы, питающейся сухим зерном, при 10%-ной относительной влажности нет никаких признаков отрицательного водного баланса; она использует воду, образующуюся в процессах окисления, количество которой может быть следующим [306]:
Вода, г/г пищи Вода, г/ккал
Жиры 1,07 0,113
Углеводы 0,556 0,133
Белки 0,396 0,092
Относительная эффективность обмена воды у кенгуровой и белой крыс приведена ниже.
Многие млекопитающие могут пить и солевые растворы (до определенных их концентраций). Например, кошка и верблюд могут поддерживать свой водный баланс, потребляя морскую воду;
144
Глава 1
% Потери воды в г/100 кал метаболизированной пищи при 22 мл воды в I л воздуха
Фекалии Моча Испарение Общая потеря Поступление воды, связанное с процессами окисления
Белая крыса 4 5 14 23 13
Кенгуровая 0,63 3,4 3,4 8 13
крыса
то же относится и к кенгуровой крысе. У человека ограничение потребления морской воды связано, по-видимому, не с почками, а с ее влиянием на желудочно-кишечный тракт и кровеносные сосуды.
Функция почек
Почки млекопитающих очень хорошо приспособлены к образованию мочи, гиперосмотичной по отношению к крови. Рептилии не способны вырабатывать гиперосмотическую мочу; концентрация мочи птиц может быть вдвое, а мочи некоторых млекопитающих — в 20 раз выше концентрации их плазмы. У белоногой мыши Рего-myscus crinitus максимальная осмоляльность мочи равна 3430 моем, максимальное осмоляльное отношение моча/плазма составляет 10,4, а максимальное отношение концентраций моча/плазма для мочевины равно 127 [1].
У человека нижний предел концентрации мочи составляет 50 моем, а верхний— 1400 моем; у пустынной крысы концентрация мочи может достигать 5000 моем.
Данные о механизме регуляции концентрации мочи были получены с помощью следующих методических приемов: 1) анализа канальцевой жидкости, взятой при микропункции; 2) остановки тока мочи на определенный период при помощи создания противодавления в мочеточнике и 3) изучения срезов почек. Млекопитающие, вырабатывающие наиболее концентрированную мочу, имеют самые длинные петли Генле (длинный сосочек) (рис. 1-41).
У собаки гломерулярная фильтрация в норме равна примерно 4,3 мл/мин на 1 г веса тела, у человека — 1,73. Это означает, что объем жидкости, ежедневно перерабатываемой почками, в 16 раз превышает объем внеклеточной жидкости. У человека из 1100 л плазмы, прошедшей в день через гломерулы, образуется 180 л фильтрата; из них реабсорбируется 178,5 л, и в результате выделяется 1,5 л мочи в день. Фильтрат мочи не содержит белков, но включает все мелкие ингредиенты плазмы, относительное содержание которых определяется ионным балансом плазменных белков. Скорость фильтрации в гломерулах определяется в основном разницей между гидростатическим (кровяным) давлением и коллоидно-осмотическим давлением сывороточных белков. Размер задер-
Обмен воды: осмотический баланс, гормональная регуляция 145
жива ем ых белковых молекул определяется сложной системой щелевых пор. Жидкость проходит сквозь поры в эндотелиальных клетках, через проницаемые базальные мембраны и выходит меж-
ч
Корковое- v бещеашва
•s Лэ?
t/
Наружная-1 зона
> .Мозговое' Вещество
Внутренняя зона
Рис. 1-41. Схема строения двух нефронов почки млекопитающих; один иефрон имеет длинную петлю Генле, другой — короткую i(no Шмидту-Нильсену). Стрелки показывают направление движения; сдвоенная стрелка — активный перенос Na+, обычная — пассивный ток воды.
Ду отростками подоцитов в просвет капсулы. Из профильтрованных таким образом растворенных веществ глюкоза, аминокислоты, витамины и электролиты реабсорбируются в проксимальном каналь-Де, а n-аминогиппуровая кислота (ПАГ) в этом участке экскретируется. Жидкость в проксимальном канальце изоосмотична по от* ношению к плазме крови.
10—1332
146
Глава 1
В петле Генле осмотическая концентрация жидкости постепенно увеличивается по направлению к почечному сосочку и вновь уменьшается в восходящей части петли, поднимающейся к корковому слою почки. В начале дистальной извитой части канальца жидкость заметно гипотОнйчна по отношению к плазме.'
Петли Генле действуют по принципу противоточных многоходовых систем, в которых .диффузия, сопряженная с активным переносом натрия, обеспечивает гораздо более высокую осмотическую концентрацию мочи в сосочках, чем в корковом слое почки. В восходящей и нисходящей ветвях петли Генле жидкость движется в противоположных направлениях, причем натрий активно выводится из восходящей ветви и пассивно входит в нисходящую,, циркулируя, таким образом, в пределах петли. Благодаря абсорбции натрия между жидкостью восходящей ветви и жидкостью собирательной трубочки возникает осмотический градиент. Осмотическая концентрация в нисходящей ветви возрастает, так как вода диффундирует из трубочки в гипертоничное межклеточное пространство, a Na+ диффундирует внутрь нисходящей ветви. Наличие такого обмена и осмотического градиента между двумя ветвями петли Генле, в которых жидкость течет в противоположных направлениях (противоточная многоходовая система), обеспечивает возрастание осмотической концентрации в направлении от наружной зоны мозгового слоя почки к его внутренней зоне.
Жидкость начального отдела дистального извитого канальца гипотонична, поэтому вода может диффундировать наружу, и к моменту попадания в собирательные трубочки жидкость становится уже изоосмотичной по отношению к крови. При дальнейшем движении по собирательной трубочке вода диффундирует из нее в окружающий мозговой слой, имеющий более высокую осмотическую концентрацию. Таким образом, вытекающая из собирательной трубочки моча становится изоосмотичной по отношению к почечным сосочкам и гипертоничной по отношению к крови. При выведении с мочой больших количеств воды проницаемость дистального канальца и собирательной трубочки находится на низком уровне, поэтому моча остается гипоосмотичной. Однако при снижении количества выделяемой мочи, когда в крови находится антидиуретиче-ский гормон вазопрессин, проницаемость дистального канальца и собирательной трубочки возрастает, вода диффундирует из канальцев и моча становится гиперосмотичной.
У обезьян Масаса регуляция концентрации мочи осуществляется с помощью канальцевой реабсорбции и максимум осмоляльного отношения моча/плазма может быть равным 22 [81]. У шиншиллы при обезвоживании осмоляльность мочи увеличивается с 2350 до 7599 моем; при гидратации эта величина падает до 130 моем. В нормальных условиях 32% воды, поступающей в петлю Генле, и 38% Na реабсорбируются в дистальном извитом канальце [375].
Опыты, проводившиеся на крысах с применением микропунк-
Обмен воды: осмотический баланс, гормональная регуляция 147
ции, показали, что отношение концентраций Na в жидкости проксимального извитого канальца и в плазме при антидиурезе равно 1, а при диурезе меньше 1, тогда как отношение концентраций натрия в дистальном извитом канальце и плазме равно 0,6. при антидиурезе и 0,2 при диурезе. Аналогичным образом концентрация мочевины в проксимальном извитом канальце может быть равна 15 мМ, в начальном участке дистального канальца — 65 мМ и в концевом его участке—190 мМ, тогда как в жидкости мозгового вещества почек концентрация мочевины равна 135 мМ [358] (рис. 1-42). Итак, и вода и натрий покидают проксимальный каналец и собирательную трубочку и входят вновь в петлю Генле. Натрий активно транспортируется из проксимальной и дистальной трубочек, за ним выходит С1. Благодаря наличию NaCl и мочевины межклеточная жидкость становится гиперосмотичной, что влечет за собой усиление реабсорбции воды. Энергетические потребности транспорта из дистальных канальцев покрываются за счет процесса гликолиза, тогда как транспорт из проксимальных канальцев в большей степени связан с системой транспорта электронов. Вазопрессин
Таблица 1-9
Максимальный уровень концентрации мочи млекопитающих1
Моча, моем Осмотическая концентрация моча/плазма
Мышь Notomys, обитающая в пустыне Мышь Psammomys, обитающая в пустыне Крыса Dipodomys, обитающая в пустыне Прыгун Liomys Земляная белка Citellus Верблюд Лабораторная крыса Лабораторная кошка Лабораторный хомяк Лабораторная собака Тюлень Шиншилла Рыбоядная летучая мышь Pizonyx Дельфин . Кролик Человек Масаса Лабораторный голубь Крт-сейвал Сумчатое Trichosurus Бобер Aplodontia Ленивец Choloepus 5540—6400 5700—6000 5500—6000 3580—4000 3900 2500—3170 2560—3000 2100—3250 3000 2006—2660 2150—2420 2006 2006 1833 1502—1910 1400—1480 1191 1100 900—1340 1066 495—770 460—907 10,3—14; 9,5 8 8,9 4,0 4,8 2,4
1 По даяным [128, 147, ,167, 223, 254, 255, 287].
10*
148
Глава 1
повышает проницаемость собирательной трубочки для воды и мочевины [120].
Данные о максимальном уровне способности почек млекопитающих концентрировать мочу представлены в табл. 1-9.
Рис. 1-42. Схема циркуляции воды и .мочевины при антидиурезе (задержка воды в организме) <[120].
Косая штриховка — циркуляция мочевины, точки — воды.
У кенгуровой крысы отношение концентраций моча/плазма достигает 18 по сравнению с 4 у человека и 2 у белой крысы. Отношение концентраций моча/плазма для мочевины может составлять 400 у кенгуровой крысы, 170 у человека и 200 у белой крысы. У пустынного грызуна Psamniomys 9% профильтрованной воды достигает верхушки петли и только 0,9% остается в выделяемой моче; в жидкости петли Генле 64% растворенных веществ составляет Na и 19% —мочевина, тогда как в собирательной трубочке осмотически эффективным компонентом служит главным образом мочевина [139]. Кровососущие летучие мыши поглощают в течение 7 ч количество крови, равное 37% веса их тела; вначале они выделяют мочу с концентрацией 475 моем, позднее — с концентрацией 4656 моем, причем 73% осмотической концентрации обусловлено мочевиной.
Эффективность деятельности почек, связанной с концентрированием мочи, зависит от относительного процента имеющихся
Обмен воды: осмотический баланс, гормональная регуляция 149»
длинных и коротких петель. Животные, обитающие в пустыне, имеют в основном длинные петли, а млекопитающие, обладающие малой концентрирующей способностью, — только короткие петли [302, 303]:
Организм Относительная толщина мозгового вещества Процент длинных петель Моча, максимальная ^замерз
Бобр 1,3 0 0,96
Свинья 1,6 3 2,0
Человек 3,0 14 2,6
Кошка 4,8 100 5,8
Тушканчик 9,3 33 12,0
Пустынная мышь 10,7 100 9,2
Исключением является шиншилла, имеющая в почках длинные сосочки; однако у лабораторной крысы способность концентрировать мочу выше [147].
У животных, подобных крысе, потолок осмотической концентрации мочи повышается с возрастанием количества белка в пище; почки имеют объемистое мозговое вещество в сводах почечных лоханок, а максимальное осмоляльное отношение моча/плазма превышает 2. У других видов, таких, например, как бобр (Aplodon-tia), увеличить максимальную осмотическую концентрацию мочи с помощью богатой белками диеты не удается; своды почечных лоханок у них слабо развиты, и максимальное отношение моча/плазма довольно низко. У выхухоли отношение моча/плазма равно 3,3 при получении богатой белком пищи и 2,5 при содержании их на малобелковой диете:
Осмоляльность мочи, моем
на богатой белком диете на бедной белком диете
Белая крыса 2834 2078
Бобр 640 672
Выхухоль 1063 934
Увеличение гломерулярной фильтрации в ответ на дополнительную солевую нагрузку наблюдается только у млекопитающих. У всех других позвоночных, особенно у амфибий, дополнительное введение соли вызывает уменьшение гломерулярной фильтрации. Приток крови к почкам и проницаемость почечных канальцев регулируются у млекопитающих гормональным путем.
Уровень антидиуретического гормона (вазопрессина) в крови* млекопитающих рефлекторно регулируется осморецепторами, ло^
150
Глава 1
кализованными в передней медиальной части гипоталамуса, в области супраоптического ядра. Эти рецепторы чувствительны к незначительным (1—2%) изменениям осмотической концентрации плазмы. Введение в сонную артерию небольшого количества гипертонического раствора NaCl рефлекторно увеличивает уровень вазопрессина в крови и уменьшает выход мочи. Инъекция небольшого объема гиперосмотического солевого раствора (0,005—0,01 мл ,2—3%-ного'раствора NaCl) в паравентрикулярное ядро козы приводите полидипсии (поглощению большого количества воды) с последующей полиурией. После инъекции гиперосмотических растворов в сонную артерию отмечается повышенная электрическая активность супраоптического ядра.
Другие рецепторы, расположенные в стенках артериол, особенно в печени и почках, чувствительны к объему плазмы и, следовательно, к ее концентрации. Они рефлекторно активируют высвобождение альдостерона из коры надпочечников, что в свою очередь вызывает активную абсорбцию натрия в почкам и потовых железах и способствует удержанию воды и увеличению объема плазмы. Осморецепторы, находящиеся в печени, посылают афферентные импульсы по блуждающему нерву в мозг.
Рецепторы вкуса воды, располагающиеся на языке, обнаружены у собак, свиней, кошек; лабораторные крысы и человек вкуса воды не воспринимают. Жажда есть сложное ощущение, складывающееся под влиянием нескольких факторов, включающих стимуляцию мозговых осморецепторов, уровень общего обезвоживания тканей и степень сухости ротовой полости.
Концентрация крови у морских млекопитающих лишь ненамного’ выше, чем у наземных. Моча морских млекопитающих может быть более концентрированной, чем морская вода. У таких млекопитающих, как тюлень (Phoca vitulind), терморегуляция происходит без потери воды; около 10% воды теряется у них через легкие, 20% —с фекалиями и 70% —с мочой. Было рассчитано, что, поедая 1250 г сельди, тюлень получает соли и мочевину в количестве, достаточном для образования примерно 800 мл мочи (с точкой замерзания, равной — 2,7°C), что находится в пределах нормы для сытых тюленей. Морские млекопитающие, питающиеся ги-поосмотичной по отношению к морской воде рыбой, по-видимому, получают с пищей достаточно воды, чтобы поддерживать концентрацию крови на более низком, чем концентрация окружающей их среды, уровне. Они не пьют морской воды. Моржи и киты, однако, питаются беспозвоночными, содержащими более концентрированную жидкость, чем кровь самих млекопитающих. Киты теряют через легкие меньше воды, чем наземные млекопитающие; очевидно, их почки могут экскретировать соли и мочевину вместе -с водой, получаемой из пищи, и могут вырабатывать гиперосмотическую мочу в необходимом для сохранения гипоосмотичности .крови количестве. .
Обмен воды: осмотический баланс, гормональная регуляция
151
Итак, важнейшая проблема, с которой сталкиваются наземные-позвоночные, т. е. большинство рептилий, птиц и млекопитающих, заключается в снижении потерь воды, связанных с испарением. В процессе адаптации вырабатывались особые структуры, служащие для уменьшения испарения с поверхности тела, — роговые чешуи, перья и волосы. Потери воды с дыханием сокращаются путем уменьшения локомоторной активности при высоких температурах и путем конденсации воды в более холодных носовых проходах. Использование дыхательного испарения, потовой секреции и слюноотделения для охлаждения тела при высокой температуре окружающей среды увеличивает кругооборот воды в организме и требует поддержания равновесия — с помощью центральной нервной системы — между дегидратационным стрессом и переохлаждением. Сигналы от находящихся в мозгу осморецепторов, от рецепторов вкуса воды и объема жидкости обеспечивают возникновение соответствующих поведенческих и гормональных реакций животного. Вода удерживается с помощью снижения количества вырабатываемой мочи; у некоторых птиц и рептилий сохранение воды происходит благодаря выделению солей через носовые железы. У млекопитающих наиболее высоко (по сравнению> с другими животными) развита способность к образованию гипер-осмотичной по отношению к крови мочи. Гормональная регуляция притока крови к почкам, а также проницаемости канальцев и циркуляции натрия внутри нефрона обеспечивает возможность образования мочи, концентрация которой может изменяться в широких пределах в соответствии с уровнем гидратации организма. Приспособительные механизмы почек служат одинаково успешно как. обитающим в пустыне млекопитающим, которым приходится долгое время обходиться без воды, так и морским млекопитающим,, которые питаются организмами, обладающими высокой осмотической концентрацией.
Гормональная регуляция осмотического и ионного баланса1
Водное и солевое равновесие у позвоночных регулируется определенными видами гормонов. Наиболее известны (в сравнительном плане) нейрогипофизарные полипептиды [33, 34]. Гормоны, в молекуле которых имеются основные аминокислоты (в 8-м положении), такие, как аргинин или лизин, называются вазопрессинами3 и обладают заметной антидиуретической, или задерживающей воду, способностью (антидиуретические гормоны, АДГ). Другие,, с нейтральной аминокислотой в 8-м положении, называются окситоцинами и обладают слабой АДГ-активностью. Функция нейтрального действующего начала в организме немлекопитающих.
1 См. также гл. 21.
Соединения, обладающие сосудосуживающим действием । 1 1 . ""——t
I Цис — Тир- Фен-Глн-Асн -Цис-Про-Лрг-Глн \ 1 2 3 Ч 5 6 7 8 9
Аргинин—вазопрессин
Цис— Фен--------------Цис—Лиз-----
Лизин- вазопрессин i—'— ........ ।
цис—иле--------------Цис—Арг------
Аргинин- вазотоцин
Окситоциноподобные соединения цис—иле-----------------Ц ис—Лей-----
Окситоцин i------------------------
Цис----иле- Сер-------Цис—Иле-------
Ц-серин— 8-изолейцин - окситоцин , ।-----------------------1
Цис—иле--------------Цис—иле—
* В—изолейцин-окситоцин
Рис. 1-43. Формулы мейрогипоф.из'арных гормонов, регулирующих водный баланс у разных классов позвоночных (>[33], см. в списке литературы о гормональной регуляции обмена воды).
Птицы
АВт, Мт, От
Млекопитающие —Свинья
АВр, от лвп, авп, От
- ч
химера
АВт, От
Пресмыкающиеся
АВт, Мт, От
Костистые рыбы
АВт, ит
Акулы АВт, Отп
Земноводные
АВт, Мт, От
Двоякодышащие рыбы
1Скаты АВт, Гт
Пластиножабер-
ные
АВт, Мт, От
Цельнокостные рыбы АВт, Um
Осетровые рыбы АВт
/Мноеоперые рыбы S АВт, Um
Хрящекостные рыбы
Хрящевые рыбы
! Хуиеперые рыбы Постные рыбы круглоротые АВт
’Рис. 1-44. Схема распределения нейрогипофизарных пептидов у некоторых позвоночных (Сойер У. X., личное сообщение).
^Подчеркнутое сокращенное название пептида означает, что его идентификация была произведена на основании химического анализа в дополнение к фармакологическим и хроматографическим методам. Использованы следующие сокращения:
АВп — аргинин-вазопрессин; ЛВп — лизин-вазопрессин; АВт — аргинин-вазотоцин; От — окситоцин; Мт—мезотоцин (&*изолейцин-окситоцин); Ит— изотоцин (4-сернн-8-изолейцин-оксито-Цин); Гт — глумитоцин .(4-серии-8-глутамин-окситоцин); Отп —по крайней мере два неизвестных окситоциноподобных гормона; они не являются ни глумитоцином, ни любым другим известным .гормоном, найденным у позвоночных.
Обмен воды: осмотический баланс, гормональная регуляция 153^
неизвестна. Эти полипептиды вырабатываются супраоптическим (паравентрикулярным) ядром гипоталамуса; по воронке они поступают в нейрогипофиз, где сохраняются и освобождаются ш> мере необходимости.
Все млекопитающие, за исключением некоторых Suiformes, вырабатывают аргинин-вазопрессин (АВП); некоторые Suiformes содержат как АВП, так и лизин-вазопрессин (ЛВП); третьи же (дикая свинья и гиппопотам) имеют только ЛВП [13а] (рис. 1-43). У кита-полосатика в отличие от других млекопитающих окситоцин образуется в количестве, в 5 раз превышающем количество вазопрессина [1]. У птиц, амфибий, рептилий и большинства рыб активными полипептидами являются окситоцин и аргинин-вазопрессин, причем последний представляет собой главный антидиурети-ческий гормон (рис. 1-44). У круглоротых (миног) имеется только один из полипептидов, аргинин-вазотоцин, который распространен наиболее широко и, по-видимому, представляет собой наиболее примитивный гормон. У представителя цельноголовых — ската Hydrolagus — имеется аргинин-вазотоцин и окситоцин. У лучепе-рой рыбы Polypterus и двоякодыщащей рыбы Protopterus вырабатываются и аргинин-вазотоцин и нейтральный гормон; у Polypterus последний представлен изотоцином (4-серин-8-изолейцин-окси-тоцин), так же как и у ганоидов и костистых рыб; у Protopterus же содержится мезотоцин (8-изолейцин-окситоцин), как у амфибий и птиц [8]. У пластиножаберкых встречаются два окситоцина, отличающиеся от соответствующих гормонов у других позвоночных; один из них (обнаруженный у Raja) является, видимо, 4-серин-8-глутамин-окситоцином (глумитоцином), а другой может быть 3-се-рин-8-изолейцин-окситоцином {37, 38]. Была предложена гипотетическая схема, показывающая, как различные основные и нейтральные пептиды могли возникнуть путем серии точковых мутаций [39].
Способ действия вазопрессина в разных классах позвоночных различен. У млекопитающих и птиц основное его действие проявляется в увеличении проницаемости для воды почечных канальцев, особенно дистальных извитых канальцев и собирательных трубочек, и, следовательно, в реабсорбции большего количества воды и в уменьшении объема образующейся мочи. У рептилий и птиц аргинин-вазотоцин (АВТ) также обладает антидиуретическим действием, и, кроме того, в дополнение к некоторому влиянию на канальцы этот гормон снижает скорость гломерулярной фильтрации — по-видимому, за счет сокращения гломерулярных артериол [31, 39]. У бесхвостых амфибий его дополнительное действие проявляется в увеличении проницаемости кожи для натрия и — в разной степени — для воды; все это (в сочетании с натриевым насосом) обеспечивает поглощение солей.
При действии аргинин-вазотоцина на кожу лягушки повышается проницаемость ее наружной поверхности для натрия; этот эф
154
Глава 1
фект проявляется только в том случае, если АВТ соприкасается с внутренней поверхностью кожи [10]. Окситоцин и норадреналин также усиливают поглощение натрия; их эффект напоминает действие циклической 3,5-АМФ; норадреналин действует через ос-рецепторы [4].
Другая функция аргинин-вазотоцина состоит в стимуляции обратного всасывания воды в мочевом пузыре. Проницаемость для воды пузыря жабы оказывается чувствительной к АВТ в концентрациях др 10~н М [17]. У тритона Triturus регуляция водного баланса осуществляется почками и мочевым пузырем [5].
У пресноводных рыб (угря, серебряного карася) АВТ повышает выход мочи и скорость гломерулярной фильтрации [18], Таким образом, влияние АВТ на почки пресноводных рыб и на. почки четвероногих (т. е. на их диурез) направлено в противоположные стороны. Поглощение натрия в жабрах под воздействием АВТ увеличивается. У угря гипофизэктомия сокращает образование мочи и поглощения натрия; у серебряного карася уровень натрия в , плазме снижается [8]. У Opsanus —- агломерулярной морской рыбы АВТ увеличивает давление крови, но не вызывает диуреза, как у. серебряного карася [21]. У двоякодышащей рыбы Proio-pierus он повышает скорость гломерулярной, фильтрации, как и у пресноводных рыб, но, кроме того, усиливает также выделение натрия, т. е. оказывает натрийуретическое действие [39]. Возможно, эта рыба нуждается в диуретическом и натрийуретическом действии АВТ во время пробуждения от летней спячки. У миноги АВТ также стимулирует выделение натрия [35]. Функция необычного окситоцина у пластиножаберных неизвестна.
Таким образом, аргинин-вазотоцин является примитивным ан-тидиуретическим гормоном, вазопрессин встречается только у млекопитающих, а пластиножаберные имеют два необычных вида окситоцина. Способ действия гормонов различен у разных позвоночных и зависит от потребности животных в воде: у животных, обитающих на суше, вода с их помощью удерживается в организме, а у гиперосмотических водных форм они стимулируют ее выделение4.
У костистых рыб гормон пролактин, вырабатываемый в передней доле гипофиза, усиливает образование разбавленной мочи. Ги-пофизэктомированная эвригалинная рыба Fundulus heteroclitus с трудом выживает при пересадке из морской воды в пресную; инъекция пролактина (но не аргинин-вазотоцина) стимулирует ее выживание [29]. Гипофизэктомированная пресноводная Fundulus (а также колюшка Gasterosteus или Xiphophorus) быстро теряет натрий — главным образом через жабры; с помощью пролактина можно снизить скорость этого процесса в 4 раза, что дает рыбе возможность выжить [23, 30].
Колюшки (Gasterosteus) осенью мигрируют в море, а весной идут в пресную воду вверх по рекам. Зимой в градиенте солености
Обмен воды: осмотический баланс, гормональная регуляция 155
они выбирают морскую воду, а поздней весной — пресную. Зимой при переносе из морской воды в пресную осмотическое'давление них падает гораздо более заметно, чем в такой же ситуации поздней весной. Если колюшкам зимой ввести пролактин, он уменьшит падение концентрации плазмы и будет способствовать образованию разбавленной мочи. Таким образЬм, пролактин стимулирует пресноводную осморегуляцию, осуществляемую как через жабры, так И через почки [23].
У костистых рыб в спинном мозгу имеется секреторный орган урогипофиз, который может выполнять некоторые функции в поддержании водного баланса [45]. После введения, рыбе солевого раствора было отмечено появление пиков потенциала действия, исходящих из нейросекреторных клеток. Экстракт урогипофиза рыб увеличивает скорость движения воды через мочевой пузырь у жабы и стимулирует сокращение мочевого пузыря у.форели [16].
У Fundulus активность щитовидной железы (судя по высоте эпителиальных клеток, йркости окрашивания коллоидов и потере включенного 1311).: в пресной воде меньше, чем в морской, и при низкой температуре меньше, чем при высокой [25].
Некоторые вещества из коры надпочечников также участвуют в поддержании солевого равновесия. Так, альдостерон увеличивает реабсорбцию натрия в мочевом пузыре жабы Bufo marinus [42]; У млекопитающих альдостерон способствует удержанию: натрия и выделению калия, а также усилению реабсорбции в дистальных извитых канальцах. В опытах на собаке, у которой была создана недостаточность натрия, низкая концентрация его в плазме усиливала секрецию альдостерона и кортикостерона [6].- Кортикостерон усиливает выделение калия, но ослабляет выделение-' натрия как в слюнных железах, так и в почках. Действие алВдостерона на мочевой пузырь жабы заключается, вероятно, в индуцировании синтеза какого-то медиатора или транспортного белка, поскольку его эффект блокируется ингибиторами белкового синтеза. Действие же вазопрессина на транспорт Na в мочевом пузыре этими веществами не блокируется [11, 13]. У птиц глюкокортикоиды коры надпочечников стимулируют выделение солей через солевые железы [14, 15]. Дезоксикортикостерон и кортизол уменьшают секрецию через ректальную железу у акулы, однако гипертонический солевой раствор с кортизолом увеличивает выделение натрия этим путем. У миноги Lampetra альдостерон и АКТГ уменьшают потери натрия [5]. В какой степени гормоны коры надпочечников регулируют в норме концентрацию натрия и калия у рыб, пока неизвестно.
У млекопитающих повышенный уровень натрия в крови вызывает освобождение из юкстагломерулярных клеток почек гормона ренина, который энзиматически превращает предшественник ангиотензина в крови в ангиотензин I; последний превращается в ангиотензин II, который затем действует на кору надпочечников^
156
Глава 1
вызывая высвобождение альдостерона. Альдостерон стимулирует реабсорбцию натрия в почках, что в свою очередь способствует удержанию воды. Ренин обнаружен и у рыб, причем в большей мере у пресноводных, чем у морских видов; у пластиножаберных и круглоротых он, по-видимому, не встречается [27, 28]. Когда угря переносят из пресной воды в морскую, уровень ренина в его тючках уменьшается в течение трех недель {43]. Ниже приводятся данные о содержании ренина в почках рыб (в крысиных единицах) :
Агломерулярный фахан в морской 3,7 воде
Агломерулярный фахан в разбавлен- 47 ной морской воде
Пресноводный серебристый карась 49
Анадромная сельдь (шэд) в 2,7%-ной 0,6 морской воде
Анадромная сельдь (шэд) в пресной 5,6 воде
Сельдь в 2,7%-ной NaCl 0
Сельдь в пресной воде 2,7
Другим гормоном, участвующим в ионной регуляции, является тиреокальцитонин, который освобождается из щитовидной железы при наличии в крови высоких концентраций кальция. Он снижает уровень кальция, ингибируя резорбцию костей. У рыб клетки уль-тимобранхиальных телец выделяют полипептид, состоящий из 32 аминокислот, который снижает уровень кальция в крови у угря и сома, но не у Fundulus [9].
Нейро-эндокринную регуляцию солевого и водного баланса удалось наблюдать также у ракообразных и насекомых. У грапсоид-ного краба, обладающего гиперосмотической и гипоосмотической регуляцией, при переносе в разбавленную морскую воду в жабрах увеличивается активность NaK-АТФазы; при наложении лигатур на его глазные стебельки активность АТФазы уменьшается, а осмотическая концентрация крови и мочи в разбавленной среде падает. Экстракт, полученный из брюшного нервного ствола сохраняет активность АТФазы [20]. У речного рака перевязка глазных стебельков увеличивает поступление воды и образование мочи в пресной воде и повышает осмотическую концентрацию крови в 50 %-ной морской воде; экстракт мозга снимает эти эффекты [19].
У кровососущего клопа Rhodnius образование и выделение мочи после приема пищи требуют участия некоего фактора, образующегося в гемолимфе. Этот фактор может стимулировать образование жидкости в изолированных мальпигиевых сосудах (см. выше). Местом образования гормона служат нейросекреторные клетки мезоторакального и церебрального ганглиев [9, 24]. У тараканов этот фактор вырабатывается последним брюшным ганглием 126].
Обмен воды: осмотический баланс, гормональная регуляция
157
Эндокринная секреция регулирует осмотическое и ионное равновесие у позвоночных и беспозвоночных путем воздействия на проницаемые мембраны (жабры и кожу) и на выделительные органы, а также на ткани (по отношению к внеклеточным нонам). Механизм этого контроля, особенно его сенсорного звена, исследован только применительно к нейрогипофизарным гормонам млекопитающих.
Заключение -
Регуляция осмотической концентрации или активности воды (в термодинамическом смысле) очень тесно связана с регуляцией ионной концентрации, клеточного объема и объема тела. Живые организмы могут встречаться в сверхсоленых озерах и в водоемах, наполненных дождевой водой, в сырых лесах, где часты дожди, и в сухих пустынях, иными словами, в условиях самой разнообразной солености и влажности. Их адаптивные механизмы в общем довольно схожи и меняются в зависимости от особенностей окружающей среды. Жизнь зародилась в море, и наиболее универсальное свойство живых организмов состоит в отделении их внутренней среды от наружной с помощью особого пограничного слоя. Все живые клетки окружены мембраной, обладающей ограниченной проницаемостью для воды, ионов и неэлектролитов. Возникновение неограниченной проницаемости есть первый признак смертельного повреждения клетки.
Большинство клеток, как свободноживущих, так и входящих в состав многоклеточных организмов, находится в осмотическом равновесии с окружающей их средой. Некоторые свободноживущие одноклеточные организмы могут в определенные периоды своего жизненного цикла осуществлять осмотическую регуляцию благодаря существующей вначале непроницаемости их оболочек для воды (например, икра пресноводных животных) или благодаря развитию сложных органоидов, служащих для выделения воды (например, пресноводные простейшие). Концентрация ионов в клетках отличается от их концентрации в окружающей среде, поэтому столь важное значение имеет регуляция внутриклеточного ионного состава. Осмотическая регуляция в клетке, как правило, осуществляется путем изменения концентраций растворенных органических компонентов, особенно аминокислот; концентрация неорганических ионов при этом остается относительно постоянной. В дополнение к избирательной проницаемости, эффектам Доннана И другим «пассивным» свойствам в большинстве клеток имеются още ионные «насосы»; с помощью этих механизмов часть метаболической энергии используется для создания такого уровня концентраций специфических ионов, который не может быть достигнут лри пассивном поддержании равновесия.
Если нарушится изотоничность клеток или начнут «протекать»
158.' - , . - * Глава 1
иХ ‘мембраны, вода будет пассивно входить в них й выходить и клеточные объемы могут измениться. Для сохранения оптимально-’ го уровня обмена веществ очень важно, чобы объем клетки й ее ионный состав оставались относительно постоянными. Регуляция объема зависит от движения воды и от устойчивости клетки к де- формациям, пути поддержания которой в клетках животных непонятны.
Сольватная (т. е. активная) вода есть лишь часть общего количества содержащейся в клетках воды. Однако вода, связанная. электростатически с белковыми молекулами, может служить также растворителем и для мелких ионов. Поэтому оценка воды как «Свободной» или «связанной» варьирует у разных исследователей в зависимости от Используемого ими метода. Точно так же проницаемость для воды, определяемая с помощью диффузий ’ метки, оказывается значительно меньшей, чем определяемая при осмотическом движении жидкости. ВоДа, как и большинство Других клеточных компонентов, распределена по разным компартментам клетки; нейеремешивающиеся слои молекул также препятствуют, ее равномерному распределению. Кроме того, становится всё' более очевидным, что большая часть воды протоплазмы превращает-, ся благодаря водородным' связям в подобие «жидкого льда». Все сказанное'заставляет сделать вывод о. том, что любые' попытки; определить количество активной воды в клетке и вокруг нее дают пока весьма приблизительные результаты.
Располагая столь неточными сведениями о клеточной воде, мы все же можем полагать, что основные механизмы регуляции воды, ионов И объема возникли на ранних этапах процесса Химической эволюции. Модификации этйх свойств у многоклеточных организмов являются в большей степени количественными, чем качественными, хотя с усложнением всей системы биологической организации развились и некоторые новые регуляторные механизмы.'
Основное и, по-видимому, наиболее примитивное осмотическое состояние представляет собой поддержание концентрации жидко-' сти тела на постоянном уровне или на уровне концентрации внешней среды. Яйца или икра морских беспозвоночных и некоторые виды взрослых морских беспозвоночных являются осмоконформерами, почти изоосмотичными морской воде; они не нуждаются в регуляции объема и поэтому могут — в допустимых пределах сморщиваться или набухать. Многие осмоконформеры снабжены приспособлениями для выделения или поглощения ионов, так что при изменении условий солености среды они (спустя некоторое время) могут изменить свой объем. Интересно, что отдельные родственные осмоконформерам формы, живя в пресной воде, обладают хорошо развитыми механизмами для ограничения набухания или для выделения воды (например, Hydra, по-видимому, пресноводные губки, пресноводные медузы и аннелиды); в то же время среди представителей других групп — Иглокожих, головоногих —
Обмен воды: осмотический баланс, гормональная регуляция 159
не обнаружено таких, которые могли бы. осуществлять осмотиче? скую регуляцию и обитали бы не в полноценной морской воде.
В ходе эволюции неоднократно совершались переходы из мор’ ской воды в пресную, поэтому ограниченная способность к осморегуляции в какой-то мере свойственна многим животным. Некоторые из них, как, например, литоральные двустворчатые моллюски, просто «захлопывают» раковину, исключая тем самым на короткое время соприкосновение с пресной водой. Отдельные формы могут запасать воду в специальных структурах. Проницаемость, для во-ды и ионов большинства обитающих в эстуариях беспозвоночных в. морской воде выше, чем в разбавленной, среде. Способность изменять- проницаемость (особенно проницаемость жабр) в зависимости от внешней концентрации широко распространена, но механизм ее.едва ли исследовался. Кроме того, многие животные^ перешедшие когда-то из моря в эстуарии, сохранили выделительные органы, служившие им в море главным образом для ионной регуляции,. и приспособили их в новых условиях для выделения осмотической воды. Животные, наиболее успешно освоившие разбавлен? ную среду, имеют специальные клетки (обычно в жабрах)., фуню ция которых заключается в активной абсорбции ионов из окружающей среды. Появление механизмов активной абсорбции представляет собой модификацию широко распространенных ионных насо* сов, выводящих определенные вещества, особенно Na, из многих клеток независимо от осмотических условий. Подобным же образом выделительные органы сохраняют растворенные вещества, перекачивая ионы обратно в. кровь. Ряд. животных, населяющих эстуарии, во взрослом состоянии хорошо переносят почти пресную воду и связаны с морем лишь в течение краткого личиночного периода. < -
. Некоторые обитающие в эстуариях беспозвоночные и родствен-; ные им формы, особенно отдельные отряды ракообразных, кольчатых червей и моллюсков, перешли к жизни в пресной воде полностью, б течение всего жизненного цикла. Обычно они имеют очень «плотные» или непроницаемые жабры и поверхностные покровы. У них хорошо развиты почки, вырабатывающие обильную разведенную мочу, и они активно поглощают ионы в дополнение к тем, которые поступают с пищей.
Отдельные виды морских беспозвоночных, главным образом крабы, на долгое время покидают море, порой на полный жизненный цикл, и живут во влажном песке. Так же как и некоторые литоральные виды, они обладают гипоосмотической регуляцией, т. е. могут поддерживать концентрацию своей крови на более низком, чем концентрация окружающей среды, уровне. Эта способность обнаружена у ряда морских ракообразных, причем наиболее хорошо она развита у обитателей соленых озер (например, у Arte-mia). Гипоосмотическая регуляция обеспечивает интенсивное выделение диффундирующих внутрь ионов. Частично оно осущест-
160
Глава 1
вляется почками и кишечником, но главным образом клетками жабр, снабженными механизмом активного транспорта. В этом случае направление транспорта обратно тому, который наблюдается у пресноводных видов. С чем связаны различия между насосами, действующими в противоположных направлениях, непонятно. Почки у таких животных участвуют главным образом в ионной регуляции.
Самый успешный переход из моря на сушу был сделан насекомыми на раннем этапе эволюции членистоногих. Наземные насекомые имеют ряд совершенно уникальных адаптационных механизмов. Так, их покрытая воском кутикула, а также дыхательная система, которая может открываться и закрываться, снижают до минимума потери воды с испарением; многие насекомые могут через кутикулу абсорбировать воду из влажного воздуха — способность, не встречающаяся у других животных; они имеют также наружные гигрорецепторы, которые обеспечивают точную настройку поведенческих реакций. Сложная выделительная система насекомых обеспечивает образование гиперосмотических продуктов выделения в условиях крайнего дефицита воды. В выделительной системе, включающей мальпигиевы сосуды и заднюю кишку, циркулируют растворенные вещества (К, мочевая кислота и некоторые не идентифицированные органические вещества), попадающие в узкие межклеточные каналы, где осмотический градиент может перемещать воду из кишки в ткани и гемолимфу.
Хордовые возникли в море; от них рано отделилась ветвь позвоночных, дальнейшее развитие которых шло в пресной воде. Некоторые позвоночные — миноги и различные костистые рыбы — могут мигрировать из морской воды в пресную и обратно. Другие, например миксины, являются осмоконформерами; пластиножаберные обладают уникальной способностью поддерживать гипертоничность своей внутренней среды по отношению к морской воде с помощью удержания в организме мочевины. Многие из них выделяют соли через ректальную железу. Как эвригалинные костистые рыбы, так и рыбы, обитающие либо в пресной, либо в соленой воде, сохраняют гиперосмотичность в пресной воде и гипоосмотич-ность в морской. Гипоосмотичность зависит в основном от активного выделения солей через жабры, как это отмечено, например, у гипоосмотичных морских креветок. Жабры морских рыб богаты NaK-АТФазой и содержат особые секреторные (хлоридные) клетки. В пресной воде почки выделяют обильную разбавленную мочу, а жабры активно поглощают соли против градиента (по-видимому, через другие, не секреторные клетки). Амфибии на стадии головастиков поглощают соли через жабры, а во взрослом состоянии переходят на абсорбцию через кожу и мочевой пузырь. При переносе эвригалинных рыб в пресную воду их проницаемость для натрия может снизиться в течение нескольких минут; в морской воде они часто менее проницаемы для воды, чем в пресной, что
Обмен воды: осмотический баланс, гормональная регуляция
161
прямо противоположно изменениям проницаемости, наблюдаемым у некоторых беспозвоночных.
Другим примером внепочечного выделения солей служат солевые железы птиц и рептилий, обитающих в море и в пустыне. Главным катионом секрета носовой железы бывает обычно Na или К. Как птицы, так и млекопитающие используют (в разной степени) испарение для охлаждения; поэтому в пустыне такие потери воды увеличиваются. Млекопитающие, подобно насекомым, обладают способностью вырабатывать продукты выделения, заметно гиперосмотичные по отношению к крови. Способность концентрировать мочу значительно варьирует у различных видов млекопитающих; это свойство частично определяется длиной петель Генле и их противоточных многоходовых систем.
Среди позвоночных широко распространена эндокринная регуляция кожной и жаберной проницаемости, гломерулярной фильтрации и канальцевой реабсорбции, причем обычно в нее вовлекается несколько гормонов. Освобождение гормонов, особенно гипофизарных, стимулируется с помощью нервных импульсов, которые в свою очередь стимулируются рецепторами объема и осморецепторами.
Эволюция осморегуляции способствовала освоению весьма разнообразных условий обитания. При подробном рассмотрении обнаруживается много ответвлений от общего направления, характерных для отдельных групп животных; можно обнаружить также заметные различия внутри групп, относящиеся к способности противостоять значительным колебаниям осмотических условий среды. Некоторые свойства клеточных мембран — избирательный и адаптивный характер проницаемости, активный транспорт одного или более ионов через наружную оболочку клетки — развились на ранних этапах эволюции и затем были модифицированы в соответствии с разными осмотическими условиями. На клеточном уровне произошла интеграция водной и ионной регуляции и регуляции объема, расширившаяся вслед за тем за счет включения систем различных органов у высших животных. Вода является одним из существенных компонентов жизни, поэтому в процессе эволюции развились многочисленные способы обеспечения клеток водой в нужных количествах.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Осмотический баланс
1. Abbott К. D., Comp. Biochem. Physiol., 38А, 37—52, 1971. Water economy in Peromyscus.
2. Adolph E. F, Physiological Regulations, Jacques Cattell Press, 1943, 502 pp.
3. Ahearn G. A., J. Exp. Biol., 53, 573—595, 1970. Water loss in desert beetles.
4. Alexander M. D., Haslewood E. S., Haslewood G. A. D., Watts D. C.,
, И—1332
162
Глава 1
Watts R. L., Comp. Biochem. Physiol., 26, 971—978, 1968. Osmotic control and urea synthesis in elasmobranchs.
5. Allen K., Biol. Bull., 121, 419—424, 1961. Effect of salinity on amino acids in Pelecypoda.
6. Alvarado R. H„ Kirschner L. B., Comp. Biochem. Physiol., 10, 55—67, 1963. Ionic regulation in Ambystoma.
7. Ames E„ Steven K., Skadhauge E., Amer. J. Physiol., 221, 1223—1228, 1971. Arginine vasotocin effects on renal function in chicken.
8. Anderson E„ Harvey W. R., J. Cell BioL, 31. 107—134, 1966. Active transport in midgut of Saniia cecropia.
9. Augenfeld J. M., Life Sci., 8, 973—978, 1969. Na-K activated ATPase in Arte-mia, different salinities.
10. Avens A. C., Comp. Biochem. Physiol., 16, 143—153, 1965. Osmotic balance in brackish water gastropod.
11. Ax P., Ax R., Biol. ZentalbL, 79, 7—31, 1960. Salinity tolerance, brackish a.nd freshwater cilistes
12. Ballard B. S., Abbott W., Comp. Biochem. Physiol., 29, 671—687, 1969. Osmotic regulation in Callinectes.
13. Barnes H., Finlayson D. M., Piatigorsky J., J. Animal Ecol., 32, 233—252, 1963. Behavior of barnacles out of water.
14. Bartholomew G. A., Cade T. C., Auk, 80, 504—539, 1963. Water economy of land birds.
15. Bayley I. A. E., Ellis P., Comp. Biochem. Physiol., 31, 523—528, 1969. Hy-posmotic regulation, aquatic isopod.
16. Beadle L. C., J. Exp. Biol., 50, 473—479, 1969. Osmotic and ionic regulation, embryos of aquatic pulmonates.
17. Beadle L. C., J. Exp. Biol., 50, 49b—499, 1969. Regulation of water during development, pulmonate embryo.
18. Beament J. W. L., Biol. Rev., 36, 281—320, 1961; J. Exp. BioL, 38, 277—290, 1961. Water relations of insect cuticle.
19. Beament J. W. L., Nature, 191, 217—221, 1961. Electrical properties of oriented lipid membranes.
20. Beament J. W. L., Adv. Insect Physiol., 2, 67—129, 1964. Water movement in insect cuticle.
21. Beament J. W. L., Soc. Exp. Biol. Symp., 19, 273—298, 1965. Active uptake of water by insects; models and mechanisms.
21a. Beament J. W. L., Treherne J. E., eds, Insects and Physiology, Elsevier, New York, 1968, 378 pp.
22. Bentley P. J., Schmidt-Nielsen K., J. Cell. Comp. Physiol., 66, 303—310, 1965. Permeability to water and sodium, crocodilian.
23. Bentley P. J., Schmidt-Nielsen K., Science, 151, 1547—1549, 1966. Cutaneous water loss, reptiles.
24. Bentley P. J., Schmidt-Nielsen K-, Comp. Biochem. Physiol., 32, 363—365, 1970. Water exchange, aquatic turtles.
25. Bergmiller E., Bielawski J., Comp. Biochem. Physiol., 37, 85—91, 1970. Water permeability of gills, crayfish.
26. Berridge M. J., J. Exp. Biol., 43, 511—521, 523—533, 1965. Excretion in cotton stainer Dysdercus.
27. Berridge M. J., Gupta B. L., J. Cell. Sci., 2, 89—112, 1967. Ultrastructure and ion and water transport in renal papillae of Calliphora.
28. Berridge M. J., Gupta B. L., J. Cell. Sci., 3, 17—32, 1968. Localization of ATPase in rectum of Calliphora.
29. Berridge M. J., J. Exp. Biol., 48, 159—174, 1968; 50, 15—28, 1969. Urine formation by malpighian tubules, Calliphora.
30. Berridge M. J., pp. 329—347, in Insect Physiology, ed. by J. E. Beament and J. E. T. Trehern, American Elsevier Publishing Co., 1968. Ion and water transport across insect epithelia.
31. Berridge M. J., Oschman J. L., Tissue & Cell, 1, 247—272, 1969. Structural basis for fluid secretion, malpighian tubules.
Обмен воды: осмотический баланс, гормональная регуляция
163
32 Biber Т. U. L., Curran Р. F., J. Gen. Physiol., 56, 83—99, 1970. Uptake of -53 BMns J^Exp. Biol., 51, I—10, 11—16, 1969. Urine formation by antennal p-land of Carcinus.
34 Binns R., J. Exp. Biol., 51, 17—27, 29—39, 1969. Glucose and ammo acid reabsorption in antennal gland of Carcinus.
35. Binyon J., J. Marine Biol. Assoc. U.K., 41, 161—174, 1961. Salinity tolerance and water permeability, Asterias.
36. Binyon J., J. Marine Biol. Assoc. U. K., 42, 49—64, 1962. Ionic regulation in low salinity, Asterias.
37. Blinks J. R., J. Physiol., 177, 42—57, 1965. Osmotic properties of striated muscle fibers.
38. Bliss D. E„ Phylogeny and Evolution of Crustaceans, Harvard University Press, 1963, pp. 59—78. Pericardial sacs of terrestrial crustaceans.
39. Bliss D. E., Amer. Zool., 6, 197—212, 1966. Water balance in land crab, Ge-carcinus.
40. Bliss D. E., Amer. Zool., 8, 355—392, 1968. Transition from water to land in decapod crustaceans.
41. Bonting S. L., Comp. Biochem. Physiol., 17, 953—966, 1966. Na-K ATPase in rectal glands of elasmobranchs.
42. Boonkoom V., Alvarado R. FL, Amer. J. Physiol., 220, 1820—1824, 1971. ATPase in gills of Rana tadpoles.
43. Boroffka I., Z. vergl. Physiol., 51, 25—48, 1965. Ion transport in nephridium of Lumbricus.
44. Boroffka L, Z. vergl. Physiol., 57, 348—375, 1968. Osmotic and volume regulation in Hirudo.
45. Boroffka L, Altner FL, Haupt J., Z. vergl. Physiol., 66, 421—438, 1970. Function and structure of nephridium of Hirudo.
46. Boroffka Frick A., Pfliiger. Arch., 281, 20 (abstr.), 1964. Ion excretion in nephridium of Lumbricus.
47. Born J. IF., Biol. Bull., 134, 235—244, 1968. Osmoregulation in caridean shrimps.
48. Bourguet J., Lahlou B., Maetz J., Gen. Comp. Endocr., 4, 563—576, 1964. Regulation if ion and water balance in goldfish.
49. Bradshaw S. D„ Comp. Biochem. Physiol., 36, 689—719, 1970. Seasonal changes in water and ion balance, lizards.
50. Bradshaw S. W., Shoemaker V. FL, Comp. Biochem. Physiol., 20, 855—865, 1967. Water and electrolyte balance in desert lizards.
51. Brand G. W., Bagly I. A. E., Comp. Biochem. Physiol., 38B, 361—371, 1971. Osmoregulation in four species of copepod.
52. Braun G., Rummel G., Mangos J. A., Pfliiger. Arch., 289, 141 — 154, 1966. Ultrastructure and excretory function in protonephridium of a rotifer.
53. Braysher M., Green B., Comp. Biochem. Physiol., 35, 607—614, 1970. Water and ion balance in Australian lizard.
54. Bryan G. W., J. Exp. Biol., 37, 83—99, 100—112, 113—128, 1960. Sodium regulation in crayfish.
55. Bull J. M., Morris R., J. Exp. BioL, 47, 485—494, 1967. Osmoregulation in larva of Lampetra.
56. Burger J. W., Physiol. Zool., 35, 205—217, 1962. Function of rectal gland, dogfish.
57. Burger J. W„ Biol. Bull., 113, 207—223, 1965. Excretion, lobster.
58. Butler D. G., Comp. Biochem. Physiol., 18, 773—781, 1966. Hormonal regulation of water balance in Anguilla.
59. Cade T. J., pp. 237—256. In thirst: Proceedings. International Symposium on Thirst in the Regulation of Body Water, edited by M. J. Wayner, Pergamon Press, 1963. Water and salt balance in birds.
60. Cade T. J., Tobin C. A., Gold A., Physiol. Zool., 38, 9—33, 1965. Water economy in finches.
11*
164
Глава 1
61. Carlisky N. J. et al., Comp. Biochem. Physiol., 36, 321—337, 1970. Water balance in excretion of urea in amphibians.
61a. Carpenter R. E., Comp. Biochem. Physiol., 24, 951—964, 1968. Salt and water metabolism in marine fish-eating bat, Pizonyx vivesi.
62. Cholette C., Gagnon A., Germain P., Comp. Biochem. Physiol., 33, 333—346, 1970. Isosmotic adaptation in Myxine.
63. Chew R. M., Biol. Rev., 36, 1—31, 1961. Water metabolism of desert vertebrates.
64. Clark M. E., Biol. Bull., 134, 252—260, 1968. Effect of osmotic dilution on amino acids in polychaetes.
65. Clarke M. R., Denton E. J., Gilpin-Brown J. B., J. Physiol., 203, 49P — 50P, 1969. Buoyancy mechanisms in squid.
66. Claussen D. L., Comp. Biochem. Physiol., 20, 115—130, 1967. Water loss in lizards.
67. Clegg J. S., J. Exp. Biol., 41, 879—892, 1964. Osmotic function of glycerol in cysts of Artemia.
68. Conte F. P., Wagner H. H., Fessler F., Gnose C., Comp. Biochem. Physiol., 18, 1—15, 1966. Development of osmotic and ionic regulation in young salmon.
69. Conway E. J., Biol. Rev., 20, 56—72, 1945. Electrolytes in muscle and plasma.
70. Cook J. S., J. Gen. Physiol., 50, 1311—1325, 1967. Nonsolvent water in human erythrocytes.
71. Cope F. W., Biophys. J., 9, 303—319, 1969. Structure of water in tissues.
72. Copeland D. E., J. Cell BioL, 23, 253—264, 1964. Mitochondrial osmotic pump in anal papillae, mosquito larvae.
73. Copeland D. E., Science, 151, 470—471, 1966. Protoplasma, 63, 363—384, 1967. Salt secreting cells in Artemia.
74. Copeland D. E., Amer. Zool., 8, 417—432, 1968. Ultrastructure of salt trans-port cells in Gecarcitius.
75. Copeland D. E., Z. Zellforsch., 92, 1—22, 1968. Ultrastructure of salt absorbing cells in gills of Callinectes.
76. Costlow J. D., Bookhout C. G., Monroe R., Physiol. Zool., 39, 81—100, 1966. Effect of salinity on larval development of crab Rhithropanopeus.
77. Coulombe H. N., Ridgway S. H., Evans W. E., Science, 149, 86—88, 1965. Respiratory water exchange in porpoises.
78. Croghan P. C., J. Exp. Biol., 35, 219—233, 243—249, 1958. Osmotic and ionic regulation in Artemia.
79. Croghan P. C., Carra R. A., Lockwood A. P. M., J. Exp. Biol., 42, 463—474, 1965. Electrical potentials across gills of crayfish.
80. Croghan P. C., Lockwood A. P. M., J. Exp. Biol., 48, 141—158, 1968. Ionic regulation in aquatic isopods.
81. Cronin R. J., Solomon S., Klingler E. L., Comp, Biochem. Physiol., 37, 511— 516, 1970. Renal function in Macaca.
82. Dainty J., House R., J. Physiol., 185, 172—184, 1966. Permeability to water of frog skin.
83. Dall W., Milward N. E„ Comp. Biochem. Physiol., 30, 247—260, 1969. Water and ion balance in amphibious and aquatic fishes.
84. Dall W., J. Fish. Res. Bd. Canad., 27, 1123—ИЗО, 1970. Osmoregulation in lobster.
85. Dantzler W. H„ Comp. Biochem. Physiol., 22, 131—140, 1967. Renal function in water snake, Natrix
86. Dantzler W. H„ Schmidt-Nielsen B., Amer. J. Physiol., 210, 198—210, 1966. Excretion by Pseudemys.
87. Dawson T. J., Comp. Biochem. Physiol., 28, 401—407, 1969. Evaporative water loss in possum, Trichosurus.
88. Dawson W. R., Shoemaker V. H., Trodoff H. B., Borut A., Auk, 82, 606—623, 1965. Salt balance in red crossbill.
Обмен воды: осмотический баланс, гормональная регуляция_______________165
й ________——-— ----- ——-------- “ ' ~
| 89 Dawson W. R., Shoemaker V. Н., Licht Р., Ecology, 47, 589—594, 1966. Eva-
porative water losses in Australian lizards.
3 gO. Dehnel P. A., Physiol. Zool., 39, 259—265, 1966. Chloride regulation in crab, Hemigrapsus.
i 51. Depocas F., Dart J. S., Canad. J. Physiol. Pharmacol., 49, 53—62, 1971. Water fluxes in seal, Phoca.
I 92. Dethier V. G., Schoonhoven L. M., J. Insect Physiol., 14, 1049—1054, 1968.
Humidity receptors on antennae of caterpillars.
i 53. Diamond J. M., Soc. Exp. Biol. Symp., 19, 329—347, 1965; Fed. Proc., 30, | 6—13, 1971. Mechanism of isotonic water absorption.
? 54. Diamond J. M., Bossert IF. H., J. Gen. Physiol., 50, 2061—2083, 1967. Stan-
I ding-gradient osmotic flow.
95. Doyle W. L., Exp. Cell Res., 21, 386—393, 1960. Ultrastructure of salt gland
in marine birds.
96. Doyle W. L., Amer. J. Anat, 111, 223—229, 1962. Tobule cells of rectal gland of sting ray.
97. Duchateau-Bosson G., Florkin M., Arch. Int. Physiol. Biochem., 70, 345—355, 1962. Osmotic regulation in crab, Eriocheir.
98. Duchateau-Bosson G., Florkin M., Arch. Int. Physiol. Biochem., 70, 393—396, 1962. Intracellular amino acids in polychaetes.
99. Duchateau-Bosson G., Flor kin M., Comp. Biochem. Physiol., 3, 245—247, 1963. Intracellular amino acids in crayfish in different salinities.
100. Dunson W. A., Weymouth R. D. Science, 149, 67—69, 1965. Absorption of sodium by soft-shelled turtle, Trionyx.
101. Dunson W. A., J. Exp. Zool., 165, 171—182, 1967. Sodium fluxes in freshwater turtles.
102. Dunson W. A., Taub A. M., Amer. J. Physiol., 213, 975—982, 1967; 216, 995— 1002, 1969. Extrarenal salt excretion in sea snake.
103. Dunson W. A., Comp. Biochem. Physiol., 32, 161—174, 1970. Salt and water balance in estuarine reptiles.
104. Edney E B., Comp. Biochem. Physiol., 19, 387—408. Absorption of water vapor by insects.
105. Edney E. B., Water Relations of Terrestrial Arthropods, Cambridge University Press, 1957, 108 pp.
106. Epstein F. H., Manitius A. J., Weinstein T., Katz A. I., Pickford G. E., Yale J. Biol. Aled., 41, 388—393, 1969. Na-K ATPase in kidney of euryhaline Fundulus.
107. Evans D. R., Mellon D., Jr., J. Gen. Physiol., 45, 487—513, 1962. Water receptor in taste sensilla of blowfly.
108. Evans D. H., J. Exp. Biol., 47, 513—517, 525—534, 1967. Chloride and water balance of intertidal teleost, Xiphister.
109. Evans D. H., J. Exp. Biol., 50, 179—190, 1969. Water and salt balance in teleost Pholis.
. 110. Evans D. H., J. Exp. BioL, 50, 689—703, 1969. Water permeability of marine,
freshwater and euryhaline teleosts.
111. Finkelstein A., Cass A., Nature, 216, 717—718, 1967. Cholesterol effects on water permeability of lipid membranes.
112. Fleming W. R., Hazelwood D. H„ Comp. Biochem. Physiol., 23, 911—915, 1967. Ionic and osmotic regulation in freshwater medusa.
113. Florkin M„ Duchateau-Bosson G„ Jeuniaux C., Schoffeniels E„ Arch. Int. Physiol. Biochem., 72, 892—906, 1964. Osmotic and ionic regulation in Eriocheir.
H4. Flugel H., Kieler Meeresforsch., 16, 186—200, 1960. Osmotic resistance and regulation in prawn, Crangon.
115. Forster R. P., Berglund F., Rennick B. R., J. Gen. Physiol., 42, 319—327, 1958. Tubular secretion of organic bases in aglomerular kidney of Laphius.
116. Foster M. A., Comp. Biochem. Physiol., 30, 751—759, 1969. Osmotic and ionic regulation in Cottus.
117. Freeman A. A., Reuben J. P., Brandt P. W., Grundfest H„ J. Gen. Physiol., 50, 423—445, 1966. Osmotic properties of nerve membranes.
166
Глава 1
118. Frisch J. A., Anat. Rec., 89, 571, 1944. Contractile vacuole functions in para-mecia.
119. Fugelli K., Comp. Biochem. Physiol., 22, 253—260, 1967. Regulation of red cell volume in flounder.
120. Gardner K. D., Maffly R. H., J. Clin. Invest., 43, 1968—1975, 1964. Urea absorption in kidney.
121. Gary-Bobo С. M., Solomon A. K., J. Gen. Physiol., 52, 825—853, 1968. Solvent water in red blood cells.
122. Giebisch G„ J. Gen. Physiol., 44, 659—678, 1961. Transtubular potentials in Neciurus kidney.
123. Giebisch G., Windhager E. E., Amer. J. Physiol., 204, 387—391, 1963. Chloride movement in proximal tubules of Necturus.
124. Giese A. C., Farmanfarmaian A., Biol. Bull., 124, 182—192, 1963. Osmotic resistance of sea urchins.
125. Gifford C. A., Publ. Inst. Marine Sci. U. Texas, 8, 97—125, 1962. Osmotic regulation, crabs.
126. Gilles R., Schoffeniels E., Comp. Biochem. Physiol., 31, 927—939, 1969. Osmotic regulation in crab nerves.
127. Gilles-Baillien M., J. Exp. Biol., 52, 691—697, 1970. Urea osmoregulation in terrapin.
128. Goffart M., Function and Form in the Sloth, Pergamon Press, 1971, 225 pp.
129. Goffart M., Nys J., Arch. Int. Physiol. Biochem., 73, 166—168, 1964. Water balance in sloths.
130. Goldstein D., Solomon A. K., J. Gen. Physiol., 44, 1—17, 1960. Pore sizes in red cells.
131. Goldstein L„ Forster R. P., Amer. J. Physiol., 220, 742—746, 1971. Osmoregulation and urea metabolism in skate, Raja.
132. Goldstein L„ Oppelt W. W., Maren T. H., Amer. J. Physiol., 215, 1493—1497, 1968. Osmotic and urea metabolism in shark, Negaprion.
133. Goodman A. B., Wolf A. V., J. Appl. Physiol., 26, 203—207, 1969. Water loss from human skin.
134. Gordon M. S., Schmidt-Nielsen S. K., Kelly H. M., J. Exp. Biol., 38, 659—678, 1961. Osmotic regulation in brackish water frog.
135. Gordon M. S., J. Exp. Biol., 39, 261—270, 1962. Osmotic regulation in green toad.
136. Gordon M. S., Biol. Bull., 124, 45—54, 1963. Chloride exchange in rainbow trout.
137. Gordon M. S., Biol. Bull., 128, 218—229, 1965. Intracellular osmoregulation in toad muscle.
138. Gordon M. S., Tucker V. A., J. Exp. BioL, 49, 185—193, 1968. Salinity adaptation in crab-eating frog.
139. Gottschalk C. W., Amer. J. Med., 36, 670—685, 1968. Concentration of urine by mammalian kidney.
140. Grant W. C., Ecology, 36, 400—407, 1955. Tolerance of water loss in earthworms.
141. Greenaway P„ J. Exp. BioL, 53, 147—163, 1970; 54, 199—214, 1971. Sodium and calcium fluxes in snail, Limnaea.
142. Greenwald L., Physiol. Zool., 44, 149—161, 1971. Sodium balance in frog.
143. Grimstone A. V., Mullinger A. M., Ramsay J. A., Phil. Trans. Roy. Soc. bond. B, 253, 343—382, 1968. Water and ion movements in rectal complex of Tenebrio.
144. Gross W. J., Biol. Bull., 126, 54—68, 1964. Water balance in land crabs.
145. Gross W. J. et al., Comp. Biochem. Physiol., 17, 641—660, 1966. Salt and water balance in Madagascar ciabs.
146. Gupta B. L., Berridge M. J., J. Morph., 120, 23—82, 1966. Fine structure of rectum of Calliphora.
147. Gutman Y., Beyth Y., Life Sci., 9, 37—42, 1970. Urine concentration by kidney of chinchilla.
Обмен воды: осмотический баланс, гормональная регуляция
148 Hadley N. F., J. Exp. Biol., 53, 547—558, 1970. Water relations of desert
149 Hardisty M. J. Exp. Biol., 34, 237—251, 1957. Osmotic regulation in larval and adult lampreys.
150 Harpur R. P., Canad. J. Zool., 46, 295—301, 1963. Osmoregulation and urea metabolism in toads and frogs.
151. Harvey H. W., The Chemistry and Fertility of Sea Waters, Cambridge University Press, 1955, 224 pp.
152. Harvey W. R., Zerahn K., J. Exp. Biol., 50, 297—306, 1969. Potassium transport in Sarnia cecropia midgut.
153. Harvey W. R., Nedergaard S., Proc. Nat. Acad. Sci., 51, 757—765, 1964. Active transport of potassium in midgut of Samia cecropia.
154. Hazelwood D. FL, Potts W. T. W., Fleming R. R., Z. vergl. Physiol., 67, 186— 191, 1970. Sodium and water balance in freshwater medusa.
155. Heatwole H., Torres F„ de Austin S. B., Heatwole A., Comp. Biochem. Physiol., 28, 245—269, 1969. Evaporative water loss in frog.
156. Herreid C. F., Comp. Biochem. Physiol., 29, 423—429, 1969. Permeability of crabs to water.
157. Hinke J. A. M., J. Gen. Physiol., 56, 521—541, 1970. Solvent water in muscle fibers of barnacle.
158. Hinton H. E., Nature, 188, 336—337, 1960. Tolerance of desiccation in chiro-nomid larvae.
159. Hobson A. D. et al., J. Exp. BioL, 29, 1—17, 22—29, 1952. Osmotic concentration in intestinal parasites.
160. Hokin M. R., Hokin L. E., J. Gen. Physiol., 50, 793—811, 1967. Salt secretion in bird salt gland.
161. Holdgate M. W., Seale M., J. Exp. Biol., 33, 82—118, 1956. Water loss through insect cuticle.
162. Holmes W. N., Phillips J. G., Butler D. G., Endocrinology, 69, 483—495, 1961. Effects of adrenal hormones on renal function in duck.
163. Holmes W. N., McBean R. L., J. Exp. Biol., 41, 81—90, 1964. Ion excretion in turtle. Chelonia.
164. Horowicz P., Burger J. W., Amer. J. Physiol., 214, 635—642, 1968. Sodium balance in dogfish, Squalus acanttias.
165. House C. R., J. Exp. Biol., 40, 87—104, 1963. Osmotic regulation in brackish water fish, Blennius.
166. House C. R., Green K., J. Exp. BioL, 42, 177—189, 1965. Ion and water transport by intestine of teleost, Cottus.
167. Hudson J. W., pp. 211—236. In Thirst: Proceedings. International Symposium on Thirst in the Regulation of Body Water, edited by M. J. Wayner, Perga-mon Press, 1963. Water metabolism in desert mammals.
168. Hudson J. W., Rummel J. A., Ecology, 47, 345—354, 1966. Water metabolism and temperature regulation in heteromyids.
169. Hughes D. A., Biol. Bull., 136, 43—-53, 1969. Osmotic responses of shrimp, Penaeus.
170. Hughes M. R., Comp. Biochem. Physiol., 32, 315—325, 807—812, 1970. Cloacal and salt gland excretion in seagull.
171. Irvine H. B., Amer. J. Physiol., 217, 1520—1527, 1969. Sodium and potassium secretion by insect malpighian tubules.
172. Jampot L. M., Epstein F. FL, Amer. J. Physiol,. 218, 607—611, 1970. Na-K ATPase and osmotic regulation in fishes.
173. Jeuniaux C., Bricteux-Gregoire S., Florkin M„ Cahiers de Biol. Marine, 2, 373—379, 1961; 3, 107—114, 1962. Role of amino acids in osmoregulation of invertebrates.
174. Jones Al. L., Biol. Bull., 132, 362—380, 1967. Morphology of nephridia of ( Nereis.
’ 175. Jorgensen С. B., Dales R. P., Physiol. Comp. OecoL, 4, 357—374, 1957. Volu-
me and osmotic regulation in nereid polychaetes.
168 Глава 1
176. Kalber F. A., Costlow J. D„ Amer. Zool., 8, 411—416, 1968. Osmoregulation in larvae of land crab Cardisoma.
177. Kamemoto F. I., Larson E. J., Comp. Biochem. Physiol., 13, 477—480, 1964. Chloride concentration in coelomic and nephridial fluids of sipunculids.
178. Kamemoto F. L, Ono J. K., Comp. Biochem. Physiol., 27, 851—857, 1968. Hormone control of urine flow in crayfish.
179. Kamiya M., Utida S„ Comp. Biochem. Physiol., 31, 671—674, 1969. Na-K ATPase in gills of fish.
180. Kaneshiro E. S., Dunham P. B., Holz G. G., Biol. Bull., 136, 63—75, 1969;
137, 161—169, 1969. Osmoregulation in a marine ciliate.
181. Kao C. Y., J. Gen. Physiol., 40, 91—105, 107—119, 1956. Membrane properties in Fundulus eggs.
182. Kerley D. E., Pritchard A. W., Comp. Biochem. Physiol., 20, 101—113, 1967. Osmoregulation in crayfish.
182a. Kerstetter T. H. et al., J. Gen. Physiol., 56, 342—359, 1970. Sodium uptake by earthworms.
183. King E. N„ Comp. Biochem. Physiol., 17, 245—258, 1966. Oxidative activity of crab gill mitochondria.
184. King E N., Schoffeniels E., Arch. Int. Physiol., Biochem., 77, 105—111, 1969. Gill potentials in crab.
184a. Kinne O., Z. wiss. Zool., 157, 427—491, 1953. Gammarids from different salinities
185. Kinne O., Neth. J. Sea Res., 3, 222—224, 1966. Metabolism of invertebrates in different salinities.
186. Kirschner L. B., Wagner S., J. Exp. Biol., 43, 385—390, 1965. Filtration and reabsorption in crayfish antennal gland.
187. Kirschner L. B., Amer. J. Physiol., 217, 596—604, 1969. Sodium fluxes in suffused eel gills.
188. Kirschner L. B., Amer. Zool., 10, 365—376, 1970. Salt transport in aquatic animals.
189. Kirschner L. B., Kerstetter T. H., Porter D., Alvarado К. H., Amer. J. Physiol., 220, 1814—1819, 1971. Adaptation of larval Anbystoma to concentrated solutions.
190. Kitching J. A., J. Exp. BioL, 31, 56—67, 68—73, 76—83, 1954. Contractile vacuoles.
191. Knulle W., J. Insect. Physiol., 13, 333—357, 1967. Absorption of water vapor by small insects.
192. Koblick D. C., Yu-Tu L., J. Exp. Zool., 166, 325—330, 1967. Osmotic properties of digestive cells of Chlorohydra.
193. Kohn P. G., Soc. Exp. Biol. Symp., 19, 3—16, 1965. Physical and chemical properties of water.
194. Komadina S., Solomon S., Comp. Biochem. Physiol., 32, 333—343, 1970. Renal function in snakes.
195. Komnick H., Protoplasma, 56, 274—314, 385—419, 605—636, 1963. Ultrastructure of salt glands of birds.
196. Krogh A., Osmotic Regulation in Aquatic Animals, Cambridge University Press, 1939, 242 pp.
197. Kummel G., Z. Zellforsch., 57, 172—201, 1962; Z. Naturforsch., 16b, 692—697x 1961. Evolutionary cytology of primitive excretory organs.
198. Kummel G., Zool. Beitr., 10, 227—252, 1964. Structure of antennal glands of crayfish.
199. Kummel G., Dankworth L., Braun-Schubert G., Gertz К. H., Z. vergl. Physiol.,. 64, 118—134, 1969. Structure and function of nephridia of Ascaris.
200. Lahlou B., Comp. Biochem. Physiol., 20, 925—938, 1967. Renal function in. flounders.
201. Lahlou B., Henderson J. W., Sawyer W. H., Amer. J. Physiol., 216, 1266—1272 . 1273—1278, 1969. Renal adaptations of toadfish, Opsanus.
202. Lahlou B„ Henderson J. W., Sawyer W. H., Comp. Biochem. Physiol. 28 1427—1433, 1969. Sodium fluxes in goldfish.
Обмен воды: осмотический баланс, гормональная регуляция______________169
203 Lance I., Comp. Biochem. Physiol., 14, 155—165, 1965. Respiration and osmotic behavior of copepod Acartia,
204. Lang M. A., Gainer H„ Comp. Biochem. Physiol., 30, 445—456, 1969. Osmotic regulation and volume control in crab muscle fibers.
205. Lange R., Comp. Biochem. Physiol., 10, 173—179, 1963. Osmotic function of amino acid and taurine in Mytilus.
206. Lange R., Comp. Biochem. Physiol., 13, 205—216, 1964. Osmotic adjustment in echinoderms and molluscs.
207. Lange R., Fugelli R., Comp. Biochem. Physiol., 15, 283—292, 1965. Osmotic adjustments in euryhaline teleosts.
208. LeBrie S. J., Sutherland I. D. W., Amer. J. Physiol., 203, 995—1000, 1962. Renal function in water snake.
209. Lee P., Schmidt-Nielsen R., Amer. J. Physiol., 220, 1598—1605, 1971. Water balance in zebra finch.
210. Levy R. A., Comp. Biochem. Physiol., 23, 631—644, 1967. Homarine in osmotic regulation of Limulus.
211. Lilly S. J., J. Exp. BioL, 32, 423—439, 1955. Water osmoregulation in Hydra.
212. Lloyd S. J., Gerlid R. D., Reba R. C„ Seeds A. E., Amer. J. Physiol., 26, 274—
276, 1969. Water permeability of human placenta.
213. Lockwood A. P. M., J. Exp. Biol., 38, 647—658, 1961. Urine in two species of Gammarus.
214. Lockwood A. P. M., Biol. Rev., 37, 257—305, 1962. Osmoregulation of Crustacea.
215. Lockwood A. P. M., Animal Body Fluids and their Regulation, Harvard University press, 1964, 177 pp.
216. Lockwood A. P. M., J. Exp. BioL, 42, 59—69, 1965; 53, 737—751, 1970. Sodium balance in amphipod Gammarus.
217. Loeffler C. A., Lovtrup S., J. Exp. BioL, 52, 291—298, 1970. Water balance in salmon egg.
218. Loveridge J. P., J. Exp. BioL, 49, 15—29, 1968. Water loss from spiracles of locust.
219. Lovtrup S., Pigon A., Lab C. R., Carlsberg Sci. Chim., 28, 1—36, 1951. Water permeability of cells.
220. Lucas J. S., Hodgkin E. P., Austral. J. Marine and Freshwater Res., 21, 163—
173, 1970. Growth of Halicarcinus in different salinities and temperatures.
221. MacFarlane W. V., Morris R. J. H., Howard B., Nature, 197, 270—271, 1963. Water turnover in desert mammals.
222. MacFarlane W. V. et al., Nature, 234, 483—484, 1971. Series of water requirements in mammals from different habitats.
223. MacMillen R. E., Lee A. R., Comp. Biochem. Physiol., 28, 493—514, 1969; 35, 355—369, 1970. Water metabolism of Australian mice.
224. Machin J., Amer. J. Physiol., 216, 1562—1568, 1969. Water permeability of skin of Bufo.
225. Mackay W. C., Prosser C. L., Comp. Biochem. Physiol., 34, 273—280, 1970. King crab, ions in blood.
226. Macklin M., J. Cell. Physiol., 70, 191—196, 1967. Osmotic regulation in Hydra.
227. Maddrell S. H. P„ J. Exp. BioL, 45, 499—508, 1966; 51, 71—97, 1969. Hormonal regulation of function in malpighian tubules of Rhodnius.
228. Maetz J., Lahlou B., J. Physiol. Paris, 58, 249, 1966. Na and Cl exchange in elasmobranch.
229. Maetz J., Science, 166, 613—615, 1967. Na-K exchange in branchiopump of flounder.
230. Maetz J., Sawyer IF. H„ Pickford G. E., Mayer N., Gen. Comp. Endocr., 8, 163—176, 1967. Ionic balance in Fundulus.
231. Maloiy G. M. O., Amer. J. Physiol., 219, 1522—1527, 1970. Water economy of desert donkey.
170
Глава 1
232. Malvin R. L., Carlson E„ began S., Churchill P., Amer. J. Physiol., 218, 1506— 1509, 1970. Renal function of freshwater-lamprey.
233. Mantel L. H., Amer. Zool., 8, 433—442, 1968. Role of foregut in ion and water balance in crab, Gecarcinus.
234. Mantel L. H., Comp. Biochem. Physiol., 20, 743—753, 1967. Gill potentials and ion regulation in Callinectes.
.235. Martin D. W., Diamond J. M„ J. Gen. Physiol., 50, 295—315, 1966. Na and Cl transport in gall bladder.
236. Mayer N., Nibelle J., Comp. Biochem. Physiol.; 35, 553—556, 1970. Salt balance in Anguilla.
237. McBean R. L., Goldstein L., Amer. J. Physiol., 219, 1115—1123, 1124—1130, 1970. Renal function in Xenopus.
238. McClanahan L., Comp. Biochem. Physiol., 20, 73—99, 1967. Adaptations of desert toad.
239. McClanahan L., Baldwin R., Comp. Biochem. Physiol., 28, 381—389, 1969. Water uptake through skin of desert toad.
240. McFarland L. Z., Nature, 204, 1202—1203, 1964. Salt excretion by seagulls.
241. McFarland 1Ё. N., Wimsatt W. A., Comp. Biochem. Physiol., 28, 985—1006, 1969. Renal function of vampire bat.
242. McLusky D. S., J. Marine Biol. Assoc., 48, 769—780, 1968. Osmotic and ionic regulation in amphipod Corphium.
243. Marshall E. E., Physiol. Rev., 14, 133—159, 1934. Vertebrate kidneys.
244. Middler S. A., Kleeman C. R., Edwards E., Comp. Biochem. Physiol., 25, 335—• 341, 1968; 26, 57—68, 1968. Water reabsorption in bladder of toad.
245. Morris R., J. Exp., 33, 235—248, 1956; 35, 649—665, 1958. Osmoregulation of Lampetra during spawning.
246. Morris R., Bull J. M., J. Exp. Biol., 52, 275—290, 1970. Osmoregulation of larvae of Lampetra.
247. Motais R., Ann. Inst. Oceanogr. Monaco, 45, 1—83, 1967. Ionic and osmotic regulation, water and salt fluxes in marine and freshwater fishes.
248. Motais R., C. R. Acad. Sci. Paris, 253, 724—-726, 1961. Sodium exchange in Platichthys in sea and fresh water.
249. Motais R., Maetz J., Gen. Comp. Endocr., 4, 210—224, 1964. Pituitary hormones, sodium exchange in teleosts.
250. Motais R., Rankin L, Maetz J., J. Exp. Biol., 51, 529—546, 1969. Water fluxes in marine fishes.
251. Motais R., Romeu F. G., Maetz J., J. Gen. Physiol., 50, 391—422, 1966. Exchange diffusion in teleosts.
252. Netnenz H., J. Insect. Physiol., 4, 38—44, 1960; Sitzungsb. Oster. Akad. Wiss. Mat.-Nat. KI.. 169, 17—41, 1960. Osmotic and ionic regulation, Ephydra larvae.
252a. Neumann D., Kieler Meeresforsch., 18, 38—54, 1962. Ions in brackishwater animals.
253. Noble-Nesbitt J., J. Exp. BioL, 50, 745—769, 1969; 52, 193—200, 1970. Water balance in the firebcat, Thermobia.
254. Nungesser W C., Pfeiffer E. W., Comp. Biochem. Physiol., 14, 289—297, 1965. Kidney function in moutain beaver, Aplodontia.
255. O’Dell R. M., Radwin H. M., Bernstein L. H., Schlegel J. W., J. Appl. Physiol., 24, 366—368, 1968. Renal function in Macaca.
256. Oglesby L. C„ Comp. Biochem. Physiol., 14, 621—640, 1965; 16, 437—455, 1965. Water and chloride regulation in nereids.
257. Oglesby L. C., Biol. Bull., 134, 118—138, 1968. Responses of estuarine po-lychaetes to osmotic stress.
258. Oglesby L. C., Comp. Biochem. Physiol., 26, 155—177, 1968. Osmotic responses of sipunculid worms.
259. Oschman J. L„ Berridge M. J., Fed. Proc., 30, 49—56, 1971. Structural basis of fluid secretion.
260. Oschman J. L„ Wall B. J., J. Morph., 127, 475—510, 1969. Fluid transport in rectal pads of Periplaneta.
Обмен воды: осмотический баланс, гормональная регуляция
171
261 Phillips J. Е., Amer. Zool., 10, 413—436, 1970. Review of excretion in in-262 ^Philips J. E., J. Exp. BioL, 41, 15-38, 39-67, 69-80, 1964; 48, 521-532, 1968* Rectal absorption and excretion in the desert locust.
9R3 Philoott C. W., Protoplasma, 60, 7—23, 1965; Philpott C. W., Copeland D. E., J Cell Biol., 18, 389—404, 1963. Chloride cells in gills of Fundulus.
264. Pickering A. D., Morris R„ J. Exp. BioL, 53, 231—243, 1970. Osmoregulation in cyclostomes.
265. Pickford G. et al., Comp. Biochem. Physiol., 18, 503—509, 1966. Effect of calcium on survival of hypophysectomized Fundulus in fresh water.
266. Pickford G. E., Grant F. B., Science, 155, 568—570, 1967. Osmotic concentration in coelacanth Latimeria.
267. Pierce S K-, Comp. Biochem. Physiol., 36, 521—533, 1970. Water balance of mollusc Modiolus.
268. Pierce S. K., Comp. Biochem. Physiol., 38A, 619—635, 1971. Volume regulation in marine molluscs.
269. Pierce S. K-, Comp. Biochem. Physiol., 39A, 103—117, 1971. Volume regulation by marine mussels.
270. Pilcher D. E. M„ J. Exp. BioL, 52, 653—655; 53, 465—484, 1970. Hormone effects on urine secretion in Carausius.
271. Pontin R. M., Comp. Biochem. Physiol., 17, 1111—1126, 1966. Osmotic function of secretory vesicles in a rotifer.
272. Potts W. T. F., J. Exp. BioL, 31, 614—617, 618—630, 1954. Urine production in Anodonta.
273. Potts W. T. W„ Evans D. H., BioL Bull., 133, 411—425, 1967. Ion fluxes in Fundulus.
274. Potts W. T. W., Fleming W. R., J. Exp. BioL, 53, 317—327, 1970. Hormone effects on ion and water regulation in Fundulus.
274a. Potts W. T. W„ Foster M. A., Rudy P. P., Howells G. P., J. Exp. BioL, 47, 461—470, 1967. Sodium and water balance in Tilapia.
275. Potts W. T. W., Parry G., J. Exp. BioL, 41, 591—601, 1964. N and Cl balance in prawn, Palaemonetes.
276. Potts W. T. W., Parry G., Osmotic and Ionic Regulations in Animals, Perga-mon Press, 1964, 423 pp.
277. Potts W. T. W., Rudy P. P., J. Exp. BioL, 50, 223—237, 1969. Water balance in eggs of salmon.
278. Poulson T. L., Bartholomew G. A., Condor, 64, 245—252, 1962. Salt utilization in house finch.
279. Poulson T. L., Bartholomew G. A., Physiol. Zool., 35, 109—119, 1962. Salt balance in Savannah sparrow.
280. Price K. S., Creaser E. P., Comp. Biochem. Physiol., 23, 65—76, 77—82, 1967. Water, urea, and sodium regulation in skate, Raja.
280a. Pritchard A. W., Kerley D. E., Comp. Biochem. Physiol., 35, 427—437, 1970. Kidney function in crayfish.
281. Prusch R. D., Dunham P. B., J. Cell BioL, 49, 431—434, 1970. Contractions of contractile vacuole of amoeba.
282. Ramamurthi R., Scheer В. T., Personal communication. Sodium balance in crab, Hetnigrapsus.
282a. Ramsay J. A., J. Exp. BioL, 27, 145—157, 1950; 28, 62—73, 1951. Osmoregulation in mosquito larvae.
283. Ramsay J. A., J. Exp. BioL, 26, 46—56, 65—-75, 1949. Osmotic relations and urine production in Lumbricus.
284. Ramsay J. A., J. Exp. BioL, 32, 200—216, 1955. Excretion by malpighian tubules, Dixippus.
285. Ramsay J. A., J. Exp. BioL, 35, 871—891, 1958. Excretion in Tenebrio.
2oo. Ramsay J. A., Phil. Trans. Roy. Soc. bond. B, 248, 279—314, 1964. Rectal complex of meal worm, Tenebrio.
287. Reid I. A., McDonald I. R., Comp. Biochem. Physiol., 25, 1071—1079, 1968. Renal function in marsupial, Trichosurus.
172
Глава 1
288. Rich G. T., Sha’afi R. I., Barton T. C„ Solomon A. K., J. Gen. Physiol., 50, 2391—2405, 1967. Permeability of red cells.
289. Rich G. T., Sha’afi R. I., Romualdez A., Solomon A. K-, J. Gen. Physiol., 52, 941—954, 1969. Osmotic permeability of red cells.
290. Riddick D. FL, Amer. J. Physiol., 215, 736—740, 1968. Contractile vacuoles in amoeba.
291. Riegel J. A., J. Exp. Biol., 38, 291—299, 1961. Function of crayfish antennal gland.
292. Riegel J. A. Comp. Biochem. Physiol., 36, 403—410, 1970. Fluid movement in crayfish antennal gland.
293. Roberts J. S., Schmidt-Nielsen B., Amer. J. Physiol., 211, 476—486, 1966. Excretion in terrestrial lizards.
294. Robertson J. D„ Biol. Bull., 138, 157—183, 1970. Osmotic and ionic regulation in Limulus.
295. Romeu F. G., Salibean A., Pezzani-Hernandez S., J. Gen. Physiol., 53, 816— 835, 1969. Na and Cl uptake through skin of frog.
296. Rudy P. P., Comp. Biochem. Physiol., 22, 581—589, 1967. Water permeability in decapod crustaceans.
297. Ruibal R., Physiol. Zool., 35, 133—147, 218—223, 1962. Osmotic capacity of toads.
298. Sawyer IF. FL, Amer. J. Physiol., 218, 1789—1794, 1970. Hormone effect on lungfish kidney.
299. Schlieper C., Helg. wiss. Meeresunters., 14, 482—502, 1966. Osmotic resistance of gills of Mytilus.
300. Schmid W. D„ Ecology, 46, 261—269, 1965. Water economy of amphibians.
301. Schmidt-Nielsen B., Laws D. F., Ann. Rev. Physiol., 25, 631—658, 1963. Survey of comparative aspects of excretion in invertebrates.
302. Schmidt-Nielsen B., O’Dell R„ Amer. J. Physiol., 200, 1119—1124, 1961. Structure and function in mammalian kidney.
303. Schmidt-Nielsen B., Pfeiffer E. W., Amer. J. Physiol., 218, 1370—1375, 1970. Kidney function in moutain beaver, Aplodontia.
304. Schmidt-Nielsen B., Schrauger C. R., Science, 139, 606—607, 1963. Contractile vacuoles of amoeba.
305. Schmidt-Nielsen B., Skadhauge E., Amer. J. Physiol., 212, 973—980, 1967. Renal function in crocodile.
306. Schmidt-Nielsen K., Desert Animals, Oxford University Press, 1964, 277 pp.
307. Schmidt-Nielsen K., Lee P., J. Exp. Biol., 39, 167—177, 1962. Kidney function in crab-eating frog.
308. Schmidt-Nielsen K-, Bentley P. J., Science, 154, 911, 1966. Cutaneous water loss in tortoise.
308a. Schoffeniels E., Tercafs R. R., Ann. Soc. Roy. Zool. Belgique, 96, 23—29, 1965. Osmotic and ionic balance in brackish water amphibians.
309. Schreibman M. P., Kaliman K. D., Gen. Comp. Endocr., 6, 144—155, 1966. Endocrine control of fresh water tolerance in teleosts.
310. Seeds A. E., Amer. J. Physiol., 219, 551—554, 1970. Water movement across human placenta.
311. Sha’afi R. I., Rich G. T., Mikulecky D. C., Solomon A. K., J. Gen. Physiol., 55, 427—450, 1970. Urea entrance into red cells.
312. Sha’afi R. L, Rich G. T., Sidel V. W., Basset W„ Solomon A. K., J. Gen. Physiol., 50, 1377—1399, 1967. Red blood cell permeability.
313. Sharrat В. M., Jones I. C., Bellamy D., Comp. Bichem. Physiol., 11, 9—18, 1964. Water and salt composition and renal function in eel.
313a. Shaw J., J. Exp. BioL, 32, 353—382, 1955. Water relations of aquatic insect Sialus.
314. Shaw J., J. Exp. BioL, 36, 126—144, 1959. Sodium balance in crayfish.
315. Shaw J., J. Exp. BioL, 38, 135—152, 1960. Sodium fluxes in crayfish.
316. Shaw J., J. Exp. BioL, 38, 153—162, 1961. Sodium balance in Eriocheir.
317. Shaw J., Soc. Exp. BioL Symp., 18, 237—254, 1964. Salt balance in crusta-
ceans.
Обмен воды: осмотический баланс, гормональная регуляция 173
318. Shaw L, Stobbart R. FL, Adv. Insect. Physiol., 1, 315—399, 1963. Osmotie and ionic regulation in insects.
319. Shoemaker V. H., Comp. Biochem. Physiol., 15, 81—88, 1965. Responses to dehydration in toads. .
320. Shoemaker V. H., Licht P., Dawson D. R., Comp. Biochem. Physiol., 23, 255— 262, 1967. Water and salt excretion in lizards.
321. Siebert B. D., MacFarlane W. W., Austral. J. Agric. Res., 20, 613—622, 1969. Water balance in ungulates.
322. Siebert B. D., MacFarlane W. W., Physiol. Zool., 44, 225—240, 1971. Water balance in camels in the desert.
323. Skadhauge E., Comp. Biochem. Physiol., 23, 483—501, 1967. Cloacal water and salt reabsorption in chicken.
324. Skadhauge E., Comp. Biochem. Physiol., 24, 7—18, 1968. Cloacal function in chicken.
325. Skadhauge E., J. Physiol., 204, 135—158, 1967. Salt and water fluxes in Anguilla.
326. Skadhauge E., Schmidt-Nielsen B., Amer. J. Physiol., 212, 793—798, 973—980, 1313—1318, 1967. Renal function in domestic fowl.
327. Smith H. W., Biol. Rev., 11, 49—82, 1936. Urea in elasmobranchs.
327a. Smith H. W., Quart. Rev. Biol., 7, 1—26, 1932. Evolution of excretion in fishes.
328. Smith R. I., Biol. Bull., 125, 322—343, 1963. Salt loss in nereids.
329. Smith R. I., Biol. Bull., 126, 142—149, 1964. Water uptake in two nereids.
330. Smith R. I., Biol. Bull., 133, 643—658, 1967. Osmoregulation and water permeability in estuarine crab.
331. Smith R. I., Biol. Bull., 139, 351—362, 1970. Water permeability of Car-cinus.
332. Smith R I., J. Exp. Biol., 53, 75—92, 93—100, 1970. Ionic regulation in nereids.
333. Smyth M., Bartholomew G. A., Condor, 68, 447—458, 1966. Water economy of desert birds.
334. Smyth M., Bartholomew G. A., Auk, 83, 597—602, 1966. Water and salt balance in mourning doves.
335. Sohal R. S., Copeland E., J. Insect Physiol., 12, 429—439, 1966. Ultrastructure of anal papillae of Aedes.
336. Solomon A. !(., J. Gen. Physiol., 43, 1—15, 1960. Red cell membrane structure and ion transport.
337. Spight T. M„ Comp. Biochem. Physiol., 20, 767—771, 1967; Biol. Bull., 132, 126—132, 1967. Water economy of salamanders.
338. Staddon B. W., J. Exp. BioL, 41, 609—619, 1964. Water balance in hemipteran, Corixa.
339. Stanley J. G., Fleming IV. R., Science, 144, 63—-64, 1964. Excretion of hypertonic urine by teleosts.
340. Stinnakre J., Tauc L., J Exp. Biol., 51, 347—361, 1969. Central nervous responses to osmoreceptors of Aplysia.
340a. Stobbart R. EL, J. Exp. Biol., 42, 29—43, 1965; 47, 35—37, 1967. Ion fluxes in larvae of Aedes.
341. Stobbart R. H., J. Exp. Biol., 54, 29—66, 1971. Sodium uptake by mosquito larvae.
342. Stoner L. C., Dunham P. B., J. Exp. Biol., 53, 391—399, 1970. Osmotic and volume regulation of Tetrahymena.
343. Sutcliffe D. W„ J. Exp. BioL, 38, 521—530, 1961; 39, 141—160, 1962. Osmotic and ionic regulation in aquatic insects.
344. Sutcliffe D. W., Shaw J., J. Exp. Biol., 46, 499—518, 519—528, 529—550, 1967. Sodium balance in freshwater amphipod, Gamtnarus.
345. Taylor C. R. et al., Amer. J. Physiol., 220, 823—827, 1971. Water balance in African ungulates.
346. Taylor C. R., Spinage C A., Lyman С. P., Amer. J. Physiol., 217, 630—634, 1969. Water relations of African antelope.
174
Глава 1
347. Templeton J. R., Comp. Biochem. Physiol., 11, 223—229, 1964. Nasal salt secretions in lizards.
348. Tercafs R. R., Arch. Int. Physiol. Biochem., 71, 318—320, 1963. Permeability of skin of reptiles.
349. . Theede H., Kieler Meeresforsch., 19, 20—41, 1963; 21, 153—166, 1965. Effect of salinity on cilia of two populations of Mytilus.
350. Theede H., Marine Biol., 2, 114—120, 1969. Osmoregulation in Carcinus.
351. Thesleff S., Schmidt-Nielsen K., Amer. J. Physiol., 202, 597—600, 1962. Electrophysiology of salt glands of gulls.
352. Thompson L. C., Pritchard A. W., Biol. Bull., 136, 114—129, 1969. Osmoregulation of crustaceans.
353. Thorson T. W., pp. 265—270. In: Sharks, Skates, and Rays, ed. by P. W. Gilbert, R. F. Mathewson, D. P. Rail, Johns Hopkins Press, 1967. Osmoregulation in freshwater elasmobranchs.
354. Thuet P., Motais R., Maetz J., Comp. Biochem. Physiol., 26, 793—819, 1968. Ionic regulation in Artemia.
355. Todd M. E., J. Exp. Biol., 40, 381—392, 1963. Osmoregulation in marine isopods.
356. Tormey J. M., Diamond J. M., J. Gen. Physiol., 50, 2031—2060, 1967. Fluid transfer in gall bladder.
357. Tosteson D., Hoffman J., J. Gen. Physiol., 44, 169—194, 1960. Criteria of active transport in red blood cells.
358. Ellrich K. J., Schmidt-Nielsen B., O’Dell R., Pehlling G., Gottschalk G. W., Lassiter W. E., Mylle M., Amer. J. Physiol., 204, 527—531, 1963. Micropuncture studies of rat kidney.
359. Ullrich K. J., Rumrich G., Schmidt-Nielsen B., Pfluger. Arch., 295, 147—156, 1967. Urea transport in collecting duct of rat kidney.
360. Ussing H., Acta Physiol. Scand., 19, 43—56, 1949. Theory of active and passive fluxes across membranes.
361. Utida S., Kamiya M., Shirai N., Comp. Biochem. Physiol., 38A, 443—447, 1971. ATPase in eel gill.
362. Vernberg F. J., Schlieper C., Schneider D. E., Comp. Biochem. Physiol., 8, 271—285, 1963. Effects of salinity on cilia of molluscan gills.
363. Vincent-Marique C., Gilles R., Life Sci., 9, 509—512, 1970. Amino acids in blood and muscle of Eriocheir.
364. Virkar R. A., Comp. Biochem. Physiol., 18, 617—625, 1966. Amino acids in salinity adaptation of Golfingia.
365. Virkar R. A., Webb K. L., Comp. Biochem. Physiol., 32, 775—783, 1970. Amino acids in clam, Mya.
366. Waldron W., Z. vergl. Physiol., 69, 249—283, 1970. Humidity receptors in locusts.
367. Wall B. J.. J. Insect Physiol., 13, 565—578, 1967. Hormonal control of rectal water absorption in cockroach.
368. Wall B. J., J. Insect Physiol., 16, 1027—1042, 1970. Effects of hydration and dehydration on Periplaneta.
369. Wall B. J., Fed. Proc., 30, 42—48, 1971. Osmotic gradients in rectal pads of an insect.
370. Wall B. J., Oschman J. L., Amer. J. Physiol., 218, 1208—1215, 1970; Science, 167, 1497—1498, 1970. Water and salt uptake by rectal pad of Periplaneta.
371. Webb D. A., Proc. Roy. Soc. bond., B, 129, 107—136, 1940. Osmotic and ionic regulation in Carcinus.
372. Webber H., Dehnel P. A., Comp. Biochem. Physiol., 25, 49—64, 1968. Water and ion regulation in limpet.
373. Weil E., Pantin C. F. A., J. Exp. Biol., 8, 73—81, 1931. Adaptations of Gunda to salinity.
374. Weinstein S. W., Klose R. M„ Amer. J. Physiol., 217, 498—504, 1969. Micropuncture studies on mammalian kidney.
375. Weisser F., Lacey F. B., Weber H., Jamison R. L., Amer. J. Physiol., 219, 1706—1713, 1970. Renal function in chinchilla.
Обмен воды: осмотический баланс, гормональная регуляция
175
376. Werntz Н. Р., Biol. Bull., 124, 225—239, 1963. Osmoregulation in gamma-
377 'wiggles'&'orth К B., Principles of Insect Physiology, 6th ed., Methuen, 378 Wigglesworth V. B., Salpeter M. M., J. Insect Physiol., 8, 299 307, 1962.
Histology of malpighian tubules in Rhodnius.
379. Willoughby E. J., Comp. Biochem. Physiol., 27, 723—745, 1968. Water economy of African birds.
380 Wilson W„ Biol. Bull., 138, 96—108, 1970. Osmoregulation in isopods.
381. Winston P. W., Nelson V. E„ J. Exp. Biol., 43, 257—269, 1965. Regulation of
transpiration in mites.
382. Wolf A. V., Thirst, Charles C Thomas, Springfield, 1958, pp. 340—372.
383. Wood J. L., Farrand P. S., Harvey W. R., J. Exp. Biol., 50, 169—178, 1969.
Active transport of potassium by midgut of Samia cecropia.
384. Zahn T. J., Comp. Biochem. Physiol., 25, 1021—1033, 1968. Protein effects on secretion in muskrats.
385. Zaks M. G., Sokolova M. M., Sechenov Physiol. J. (U.S.S.R.), 47, 120—127, 1961. Salt glands of marine birds.
386. Zaks M. G., Sokolova M. M., Fed. Proc. Transl. SuppL, 25, T531—534, 1966. Osmotic regulation in migrant salmon.
387. Zaugg IF. S., McLain L. R., Comp. Biochem. Physiol., 35, 587—596, 1970. ATPase in gills of salmon.
388. Zolin A. I., Soc. Exp. Biol., Symp., 19, 365—384. Uptake of water by embryos.
Гормональная регуляция
1. Archer R., Chauvet J., Chauvet M. T., Nature, 201, 191—192, 1964. Neurohypophyseal hormones in finback whale.
2. Archer R., Chauvet J., Europ. J. Biochem., 17, 509—513, 1970. Mesotocin in birds.
3. Baehr J. C., Bandry N., C. R. Acad. Sci. Paris, 270, 3134—3136, 1970. Hormonal control of water balance in Rhodnius.
4. Bastide F., Jard S., Biochim. Biophys. Acta, 150, 113—123, 1968. Action of hypophyseal polypeptides.
5. Bentley P. J., Heller H., J. Physiol., 109, 124—129, 1965. Hormonal control in Salamandra.
6. Brown T. C., Davis J. O., Johnston С. I., Amer. J. Physiol., 211, 437—441, 1966. Responses of renin and aldosterone secretion in dogs.
7. Capelii J. P., Wesson L. G., Aponte G. E„ Amer. J. Physiol., 218, 1171—1178, 1970. Phylogenetic study of the renin-angiotensin system.
8. Chan D. R„ Jones I. C., Mosley W., J. Endocr., 42, 91—98, 1968. Hormonal control of water and ions in Anguilla.
9. Copp D. H„ pp. 377—398. In: Fish Physiology, Vol. 2, ed. by W. S. Hoar and D. J. Randall, Academic Press, 1969. Calcitonin in fish.
10. Cuthbert A. W., Painter E., J. Physiol., 199, 593—612, 1968. Hormonal effects on frog skin.
11. Edelman I. S., Timognori G. M., Rec. Prog. Horm. Res., 24, 1—34, 1968. Action of vasopressin cn Na transport in bladder.
12. Eggena P., Schwatz O. L., Waller R., J. Gen. Physiol., 52, 465—481, 1968. Effects of vasotocin on toad bladder.
13. Fancstil D. D., Edelman I. S., Fed. Proc., 25, 912—916, 1966. Effects of vasopressin on toad bladder.
13a. Ferguson D. R., Heller H., J. Physiol., 180, 846—863, 1965. Neurohypophyseal hormones in mammals.
14. Holmes W. N., Butler D. G., Phillips J. G., J. Endocr., 23, 53—61, 1961. Saline stimulation of salt gland in gull.
15. Holmes W. N„ Phillips J. G., Chester Jones I., Rec. Prog. Horm. Res., 10, 619— 666. 1963. Glucocorticoids in ion balance of birds.
176
Глава 1
16. Ireland М. Р„ J. Endocr., 43, 133—138, 1969. Effect of urophysectomy on survival of Gasterosteus in osmotic stress.
17. Jard S., J. Physiol. Paris, 58, Supp. 15, 1—124, 1966. Hormonal effects on water balance in frog.
18. Jones I. C et al., J. Endocr., 43, 21—31, 1968. Effects of AVT in freshwater
19. Kamemoto F. I., Ono J. K., Comp. Biochem. Physiol., 29, 393—401, 1969. Endocrine control of osmoregulation, Crustacea.
20. Kato K. N„ Kamemoto F. I., Comp. Biochem. Physiol., 28, 665—674, 1969. Endocrine control of osmoregulation, crab.
31. Lahlou B., Sawyer V/. H., Gen. Comp. Endocr., 12, 370—377, 1969. Ion balance in hypophysectomized goldfish.
32. Lam T. J., Comp. Biochem. Physiol., 31, 909—913, 1969. Effect of prolactin on sickleback fish
‘2 3. Lam T. J., Leatherland J. F., Comp. Biochem. Physiol., 33, 295—302, 1970. Prolactin in osmotic and ionic balance, Fundulus.
24. Maddrell S. H. P., J. Exp. BioL, 45, 479—508, 1966; 51, 71—97, 1969. Hormonal regulation of function in malpighian tubules of Rhodnius.
25. McNabb R. A., Pickford G. E., Comp. Biochem. Physiol., 33, 783—792, 1970. Thyroid function in euryhaline Fundulus.
26. Mills R. R., J. Exp. BioL, 46, 35—41, 1967. Hormonal control of excretion in cockroach.
27. Mizogami S., Oguri M., Sokabe H., Nishimura FL, Amer. J. Physiol., 215, 991—994, 1968. Renin in teleost kidneys.
28. Nishimura H., Oguri M., Ogawa M., Sokabe FL, Imai M., Amer. J. Physiol., 218, 911—915, 1970. Absence of renin in elasmobranchs and cyclostomes.
29. Pickford G. E., Comp. Biochem. Physiol., 18, 503—509, 1966. Effect of prolactin on Fundulus in various salinities.
30. Potts W. T. W., Evans D. EL, BioL Bull., 131, 362—368, 1966. Prolactin in fish.
31. Sawyer W. FL, Amer. J. Physiol., 164, 457—466, 1951. Glomerular antidiuretic effects in amphibians.
32. Sawyer W. H., Endocrinology, 75, 981—990, 1964. Vertebrate neurohypophyseal principles.
33. Sawyer W. FL, Arch. d’Anat. Micro. Morph. Exper., 54, 295—312, 1965. Review of action of pituitary polypeptides.
34. Sawyer W H., Gen. Comp. Endocr., 5. 427—439, 1965. Neurohypophyseal principles from lamprey and two Chondrichthyes.
35. Sawyer W. H., Amer. J. Physiol., 210, 191—197, 1966. Hormonal effects on ion balance in lamprey.
36. Sawyer W. H., Amer. J. Med., 42, 678—686, 1967. Evolution of antidiuretic hormones.
37. Sawyer W. H, J. Endocr., 44, 421—435, 1969. Hormones in elasmobranchs.
38. Sawyer W. FL, Manning M., Heinicke E, Parks A. M., Gen. Comp. Endocr., 12, 387—390, 1969. Elasmobranch hormones of water balance.
39. Sawyer W. FL, pp. 257—269. In: Miami Winter Symposia. Vol. 1. Homologies in Enzymes and Metabolic Pathways, ed. by W. J. Whelan and J. Schultz, Elsevier, New York, 1970. Homologies among neurohypophyseal peptides.
40. Sawyer W. FL, Amer. J. PhysioL, 218, 1789—1795, 1970. Hormones of water balance in lungfish, Protopterus.
41. Sawyer W. H., Freer R. J., Tseng T., Gen. Comp. Endocr., 9, 31—37, 1967.
42. Sharp G. W. G., Leaf A., Rec. Prog. Horm. Res., 22, 431—466, 1966. Action of aldosterone on toad bladder.
43. Sokade H., Mizogami S., Sato A., Japan. J. Pharmacol., 18, 332—343, 1968. Role of renin in adaptation to sea water in euryhaline fishes.
44. Stanley J. G., Fleming W. R., BioL Bull., 131, 155—165, 1966. Hypophyseal effects on Na transport in Fundulus kansae.
45. Takasugi N., Bern H. S., Comp. Biochem. PhysioL, 6, 289—303, 1962. Caudal neurosecretory organ in Tilapia.
Глава 2
Неорганические ионы
Л. ПРОССЕР1
Осмотическая концентрация раствора зависит только от общего числа растворенных частиц и не зависит от их химической природы. У многих животных жидкости тела по их осмотической концентрации соответствуют внешней среде, но отличаются от нее ионным составом. Нет такого организма, у которого концентрации ионов внутри и вне клетки были бы одинаковы. Избирательность поглощения клеткой одних ионов и выведение других есть одно из наиболее универсальных свойств живого. Регуляция ионного состава как на клеточном, так и на организменном уровне представляет собой основную и общую всем живым существам способность.
Жизнь зародилась в море. Как показывают данные геохимии, ионный состав морской воды не претерпел существенных изменений с раннекембрийского периода, хотя ее общая соленость, по-видимому, несколько возросла. Ниже приводятся данные о содержании (в процентах) отдельных элементов в земной коре, океанах и протоплазме [140, 172].
Земная кора: О — 49, Si — 26, Al — 7,5, Fe — 4,7, Са, Na, К, Mg, Н. Океаны (соотношение элементов, входящих в состав солей): О, Н, С1 — 55,2, Na — 30,6, Mg — 3,7, Са — 1,6, К — 1,1, S, Р.
Протоплазма: О — 76, С — 10, Н—10, N — 2, К, Са, Mg, Na, Cl, Fe, S, P.
В вулканических породах содержание калия и натрия примерно одинаково. Однако по мере выщелачивания пород калий сильнее адсорбируется частицами глины, в результате чего он обнаруживается в почве в большем количестве, чем натрий. Соответственно в морях и реках содержится больше натрия, чем калия. Натрий — основной катион внеклеточной жидкости большинства животных; он необходим также морским растениям, тогда как наземные, как правило, не испытывают в нем необходимости. Калий — основной вш/тушклеточный катион всех животных и растений. Таким образом, зависимость между распространенностью и доступностью элементов, с одной стороны, и их утилизацией живыми организмами — с другой, весьма мала.
1 При участии Л. Киршнера. 12—1332
178
Глава 2
Биологическая ценность элементов определяется главным образом их химическими свойствами. Так, металлы имеют большое значение, особенно в комплексе со специфическими белками; в то же время кремний и алюминий — наиболее распространенные элементы земной коры — находят в биологических системах лишь ограниченное применение. Морские животные извлекают из морской воды калий и натрий (причем первый в большем количестве, чем второй), а магний и сульфаты они выводят. Концентрация водородных ионов в жидкостях тела обычно несколько выше, чем в окружающей водной среде.
Количество различных ионов, существующих в организме как в свободной, так и в связанной с белками форме, изменяется во времени и поддается определению с известным трудом. Механизм ионной регуляции чрезвычайно сложен и еще недостаточно изучен.
Регуляция внутриклеточной концентрации ионов
Состав неорганических веществ любой клетки и омывающей ее жидкости различен. Содержание ионов в цитоплазме избирательно регулируется клеточными мембранами. В табл. 2-1 приведен состав различных клеток и тканей в сравнении с их средой. Неопло-дотворенные яйца морского ежа содержат примерно в 20 раз больше калия и в 9 раз меньше натрия, чем морская вода. Общее количество катионов в них в сумме составляет 292 мэкв на 1 кг воды, а неорганических анионов — менее 100 мэкв. Разница между этими величинами сбалансирована фосфатами и органическими анионами [201]. Эритроциты млекопитающих содержат обычно калия больше, чем плазма, причем в эритроцитах хищников количество калия уступает количеству натрия; у овец некоторых линий на ранних стадиях развития преобладание калия в эритроцитах сменяется преобладанием натрия. Эта особенность наследуется согласно правилу Менделя [64]:
Кровь овец, мМ
Кнар NaHap квн Na вн С1вн Объем воды
С^нар
Линия с высокой концентрацией к 4,9 139 121 36,1 0,67 0,69
Линия с низкой концентрацией к 5,0 139 17,3 139 0,70 0,69
Ионы хлора пассивно проникают в эритроциты, а ионы натрия и калия насасываются активно за счет использования энергии гликолиза. Полупериод проницаемости для меченной тритием воды составляет несколько миллисекунд, для хлора — несколько сотен миллисекунд, для натрия и калия — несколько часов [231].
Таблица 2-1
Общий ионный состав тканей и плазмы1
Животное Ткань Na К Са Mg Cl Источник данных
Aplysia Кровь 492 9,7 13,3 49 453 [95]
Мышца 325 47,8 14,7 95,5 378
Bucciniutn Кровь 413 7,7 10,6 42 [95]
Мышца 62,4 82,1 7,8 35,0 121
Астаеа Кро