16.1: 动态平衡和渗透调节
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稳态是指动物体内相对稳定的状态。 动物器官和器官系统不断适应内部和外部变化，以保持这种稳定状态。 维持稳态内部状况的例子包括血糖水平、体温、血钙水平。 这些情况保持稳定，因为生理过程会导致负反馈关系。 如果血糖或钙升高，则会向负责降低血糖或钙的器官发出信号。 恢复正常水平的信号就是负反馈的示例。 当稳态机制失效时，结果可能对动物不利。 稳态机制通过不断适应人体系统遇到的变化来保持人体动态平衡。 即使是显然不活跃的动物也能保持这种稳态平衡。 受稳态调节因素的两个例子是温度和含水量。 维持这两个因素稳态的过程称为体温调节和渗透调节。
动态平衡
稳态的目标是在身体或其细胞的某些方面（称为设定点）的特定值周围维持平衡。 虽然与设定点相比会有正常的波动，但人体的系统通常会尝试回到这个点。 内部或外部环境的变化称为刺激，由受体检测到；系统的反应是调整系统的活动，使值向设定点移动。 例如，如果身体变得太热，则进行调整以冷却动物。 如果饭后血液中的葡萄糖水平升高，则需要进行调整以降低血糖水平，并将营养物质带入需要它的组织或将其储存起来供以后使用。
当动物的环境发生变化时，必须进行调整，以使人体和细胞的内部环境保持稳定。 感知环境变化的受体是反馈机制的一部分。 刺激（温度、葡萄糖或钙水平）由受体检测到。 受体向控制中心（通常是大脑）发送信息，控制中心将适当的信号传递给效应器官，该效应器官能够根据传感器发送的信息引起适当的向上或向下的变化。
体温调节
动物可以分为两组：在不同的环境温度下保持恒定体温的动物，以及体温与环境相同因此随环境温度变化的动物。 无法内部控制体温的动物被称为外热。 这些生物的体温通常与环境温度相似，尽管个体生物所做的事情可能会使自己的身体略低于或高于环境温度。 这可能包括在炎热的天气在地下挖洞，或者在寒冷的天气在阳光下休息。 外温被称为冷血，这个术语可能不适用于沙漠中体温非常温暖的动物。
在环境变化面前保持恒定体温的动物被称为吸热物。 这些动物能够保持外热动物无法维持的活动水平，因为它们产生的内部热量即使在寒冷的环境中也能保持细胞过程的最佳运行。
概念在行动
观看探索频道关于体温调节的视频，查看各种动物体温调节过程的插图。
动物以各种方式保存或散热。 吸热动物有某种形式的隔热作用。 它们有毛皮、脂肪或羽毛。 毛皮或羽毛较厚的动物会在皮肤和内脏器官之间形成一层隔热的空气。 北极熊和海豹在低于冰点的环境中生活和游泳，同时保持恒定、温暖的体温。 例如，北极狐在寒冷的天气里 curl 缩起来睡觉时会使用蓬松的尾巴作为额外的隔热材料。 哺乳动物可以通过发抖增加体内热量产生，发抖是肌肉活动的非自愿增加。 此外，arrectorpili 肌肉会收缩，导致个人寒冷时单根头发直立。 这增加了头发的隔热效果。 人类会保留这种反应，这对我们相对无毛的身体没有预期的效果；相反，它会导致 “鸡皮疙疵”。 哺乳动物也使用脂肪层作为隔热材料。 大量体内脂肪的流失会损害个人节约热量的能力。
Ectotherms 和 endotherms 使用其循环系统来帮助维持体温。 血管舒张是通过松弛皮肤的平滑肌向皮肤开放动脉，为体表带来更多的血液和热量，促进辐射和蒸发热量流失，使身体降温。 血管收缩是指通过收缩皮肤的平滑肌而使血管变窄到皮肤，减少外周血管中的血液流动，迫使血液流向核心和重要器官，从而保存热量。 有些动物能够适应循环系统，使它们能够将热量从动脉传递到彼此相邻流动的静脉，使返回心脏的血液变暖。 这被称为逆流热交换；它可以防止冷静脉血液冷却心脏和其他内脏器官。 逆流适应存在于海豚、鲨鱼、骨鱼、蜜蜂和蜂鸟中。
一些体外热动物利用行为的变化来帮助调节体温。 他们只是在一天中最热的沙漠中寻找凉爽的地方，以免过热。 同样的动物可能会在晚上爬上岩石，在寒冷的沙漠之夜捕捉热量，然后再进入洞穴。
体温调节由神经系统协调（图\(\PageIndex{1}\)）。 温度控制过程以先进动物大脑的下丘脑为中心。 下丘脑通过导致血管舒张或血管收缩以及发抖或出汗的反射来维持体温的设定点。 下丘脑控制下的交感神经系统引导影响体温损失或升高变化的反应，使身体恢复到设定点。 在某些情况下，可以调整设定点。 在感染期间，会产生称为热原的化合物并循环到下丘脑，从而将恒温器重置为更高的值。 这允许人体温度升高到通常称为发烧的新的稳态平衡点。 体温的增加使人体不太适合细菌生长，并增加了细胞的活性，从而使它们能够更好地抵抗感染。
艺术连接
当细菌被白细胞破坏时，热原会释放到血液中。 Pyrogens 会将人体的恒温器重置到更高的温度，从而导致发烧。 热原如何导致体温升高？
渗透调节
渗透调节是维持体内膜间盐分和水分平衡（渗透平衡）的过程。 细胞内部和周围的液体由水、电解质和非电解质组成。 电解质是一种溶解在水中时会分解成离子的化合物。 相比之下，非电解质在水中不会分解成离子。 人体的液体包括血浆、存在于细胞内的液体以及存在于人体细胞和组织之间空间中的间质液。 人体的膜（包括细胞周围的膜和由体腔内细胞组成的 “膜”）是半渗透膜。 半渗透膜对某些类型的溶质和水具有渗透性，但通常细胞膜不被溶质渗透。
尸体不是孤立存在的。 水和电解质不断输入到系统中。 多余的水、电解质和废物被输送到肾脏并排出体外，有助于维持渗透平衡。 液体摄入不足会导致肾脏保持体液。 生物系统通过消耗食物和水以及以汗液、尿液和粪便的形式排出体外，不断地与环境相互作用和交换水分和营养。 如果没有调节渗透压的机制，或者当疾病破坏了渗透压机制时，就会有积聚有毒废物和水的趋势，这可能会产生可怕的后果。
哺乳动物系统的发展不仅可以调节膜间的总渗透压，还可以调节三个主要液体隔室（血浆、间质液和细胞内液）中重要电解质的特定浓度。 由于渗透压受水在膜上的运动的调节，因此液体隔室的体积也可以暂时改变。 由于血浆是流体成分之一，渗透压直接影响血压。
排泄系统
人类排泄系统的作用是通过皮肤排出体内的废物（如汗水），肺部以呼出的二氧化碳的形式排出，以及通过泌尿系统以尿液的形式清除排出体内的废物。 所有这三个系统都参与渗透调节和废物清除。 这里我们重点介绍泌尿系统，它由成对的肾脏、输尿管、膀胱和尿道组成（图\(\PageIndex{2}\)）。 肾脏是一对豆状结构，位于体腔中肝脏的正下方。 每个肾脏都含有超过一百万个称为肾脏的微小单位，它们过滤含有细胞中代谢废物的血液。 人体内的所有血液每天被肾脏过滤约60次。 肾脏清除废物，将其浓缩，然后形成尿液，然后收集在膀胱中。
在内部，肾脏有三个区域——外皮层、中间的延髓和作为输尿管扩张末端的肾骨盆。 肾皮层包含肾脏——肾脏的功能单位。 肾盆收集尿液并通向肾脏外侧的输尿管。 输尿管是带尿管，从肾脏排出并排入膀胱。
血液从主动脉（供应心脏下方身体的主要动脉）通过肾动脉进入每个肾脏。 它分布在较小的血管中，直到到达毛细血管中的每个肾脏。 在肾脏内部，血液与一种叫做肾小球的结构中的废物收集小管密切接触。 血液中存在的水和许多溶质，包括钠、钙、镁和其他离子；以及废物和有价值的物质，例如氨基酸、葡萄糖和维生素，会离开血液进入肾小管系统。 当材料通过小管时，大部分水、所需的离子和有用的化合物会被重新吸收回小管周围的毛细血管中，留下废物。 其中一些重吸收需要主动转运并消耗 ATP。 一些废物，包括残留在血液中的离子和一些药物，会从毛细血管扩散到间质液中，然后被小管细胞吸收。 然后，这些废物被主动分泌到小管中。 然后，血液聚集在越来越大的血管中，将肾脏留在肾静脉中。 肾静脉连接下腔静脉，下腔静脉是将血液从下半身返回心脏的主静脉。 循环系统中重新吸收的水和离子量经过精心调节，这是人体调节其水分含量和离子水平的重要方式。 废物被收集在较大的小管中，然后将肾脏留在输尿管中，输尿管通向膀胱，尿液是废物和水的混合物。
膀胱含有感觉神经，即伸展受体，可在需要排空时发出信号。 这些信号会产生排尿的冲动，这种冲动可以被自愿抑制到一定的极限。 有意识的排尿决定起到了作用，即打开括约肌，即闭合开口的平滑肌圈，进入允许尿液从膀胱和身体流出的尿道。
职业生涯在行动：透析技术员
透析是一种通过扩散和超滤去血液中的废物和多余水分的医疗过程。 当肾功能失效时，必须进行透析以人为地清除体内的废物和液体。 这是维持患者生命的重要过程。 在某些情况下，患者会接受人工透析，直到他们有资格进行肾脏移植。 在其他不是肾脏移植候选人的患者中，透析是终身必需品。
透析技术人员通常在医院和诊所工作。 尽管该领域的一些角色包括设备开发和维护，但大多数透析技术人员从事直接患者护理工作。 他们的工作职责通常在注册护士的直接监督下进行，重点是提供透析治疗。 这可能包括审查患者病史和当前状况，评估和应对患者在治疗前和治疗期间的需求，以及监测透析过程。 治疗可能包括采集和报告患者的生命体征，准备解决方案和设备以确保手术的准确性和无菌性。
章节摘要
动态平衡是一种在人体组织和器官中维持的动态平衡。 它是动态的，因为它不断适应系统遇到的变化。 这是一种平衡，因为身体机能保持在正常范围内，在设定点附近会有一些波动。 肾脏是哺乳动物系统中的主要渗透调节器官；它们起到过滤血液和维持体液溶解离子浓度的作用。 它们内部由三个不同的区域组成——皮层、延髓和骨盆。 输送血液进出肾脏的血管分别来自主动脉和下腔静脉，并与之合并。 肾脏是肾脏的功能单位，它可以主动过滤血液并产生尿液。 尿液通过输尿管离开肾脏并储存在膀胱中。 尿液通过尿道从体内排出。
艺术联系
图\(\PageIndex{1}\)：当细菌被白细胞破坏时，热原被释放到血液中。 Pyrogens 会将人体的恒温器重置到更高的温度，从而导致发烧。 热原如何导致体温升高？
- 回答
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热原会导致血管收缩、引起颤抖和阻止汗腺分泌液体，从而提高体温。
词汇表
- ectotherm
- 一种主要依靠环境热源来维持体温的生物
- 吸热
- 一种主要依靠内部热源来维持体温的生物
- 间质流体
- 体内细胞之间发现的液体，其构成与血液中的液体成分相似，但没有高浓度的蛋白质
- 肾脏
- 发挥排泄和渗透调节功能的器官
- nephron
- 肾脏的功能单位
- 渗透调节
- 将水和溶质浓度维持在所需水平的机制
- 渗透平衡
- 健康生物体的适当水和溶质浓度值
- 肾动脉
- 向肾脏输送血液的动脉
- 肾静脉
- 排出肾脏血液的静脉
- 设定点
- 动态平衡中生理状态的目标值
- 输尿管
- 从肾脏流出的带尿管
- 尿道
- 将尿液从膀胱输送到外部环境的管道
- 膀胱
- 输尿管排出尿液的结构