【正文】 高中生物奧林匹克競賽輔導(dǎo)專題講座專題十四內(nèi)環(huán)境的控制[競賽要求]1．系統(tǒng)組成2．腎臟系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)3．尿的產(chǎn)生4．體液平衡（內(nèi)穩(wěn)定）[知識梳理]一、內(nèi)環(huán)境和穩(wěn)態(tài)概述1．內(nèi)環(huán)境：是指體液（細(xì)胞外液），由 血液、淋巴液、腦脊髓液、組織液（器官組織間液體）構(gòu)成。2．穩(wěn)態(tài)：生物要求內(nèi)環(huán)境保持穩(wěn)定，這種內(nèi)穩(wěn)態(tài)的性質(zhì)是在神經(jīng)和體液的調(diào)節(jié)下，各器官系統(tǒng)協(xié)調(diào)活動，維持內(nèi)環(huán)境相對穩(wěn)定的狀態(tài)。 內(nèi)穩(wěn)態(tài)是靠負(fù)反饋調(diào)節(jié)的。 3．現(xiàn)代廣義的穩(wěn)態(tài)：是指在同一層次上的穩(wěn)態(tài)，從細(xì)胞到生態(tài)系統(tǒng)。4．影響內(nèi)穩(wěn)態(tài)的因素：（1）外界條件變化：如溫、濕度等；（2） 生物體自身狀態(tài)變化：如運(yùn)動、攝食等。 二、體液調(diào)節(jié)—排泄和水鹽平衡 （一）體液 細(xì)胞生活在液態(tài)環(huán)境中，低等動物生物在水環(huán)境， 高等動物的細(xì)胞生活在體液中。體液是指細(xì)胞外液，包括血液、淋巴、組織液等；內(nèi)環(huán)境主要指體液。內(nèi)環(huán)境的特性： 海洋生物的體液成分似海水；淡水、陸生生物體液與海水很不相同。體液調(diào)節(jié)主要機(jī)制有二個：（1）排泄：排出代謝廢物；（2）水鹽平衡：調(diào)節(jié)水量、保持體液鹽分濃度穩(wěn)定。（二）排泄 1．動、植物在利用含氮物質(zhì)上的區(qū)別： 植物：能利用無機(jī)氮；可反復(fù)利用蛋白質(zhì)分解產(chǎn)生的含氮基團(tuán)；不存在排泄含氮廢物的過程；無排泄系統(tǒng)。動物：不能利用無機(jī)氮；不能重復(fù)利用蛋白質(zhì)分解產(chǎn)生的含氮基團(tuán)；無氨基酸庫，不能儲存蛋白質(zhì)、氨基酸等（在動物體內(nèi)，多余蛋白質(zhì)、氨基酸等轉(zhuǎn)變?yōu)樘窃⒅緝Υ嫫饋砘蛎摪被D(zhuǎn)變?yōu)镹H尿素、尿酸等，排出體外）。有排泄系統(tǒng)和排泄器官：排出代謝廢物，保持體液穩(wěn)定，如 皮膚能排出汗腺；肝臟排出膽汁（膽固醇、膽色素）；腸道排出Ca2+、Fe2+（糞便）。排泄的物質(zhì)主要包括： 多余的水、多余的鹽分、蛋白質(zhì)代謝廢物如氨、尿素、尿酸、肌酐等。2．轉(zhuǎn)氨與脫氨轉(zhuǎn)氨 ：氨基酸的NH2轉(zhuǎn)移到一種酮酸上。結(jié)果形成新的氨基酸。天冬氨酸+a酮戊二酸174。草酰乙酸+谷氨酸 脫氨（氧化脫氨）：谷氨酸+H2O174。a酮戊二酸+NH3，結(jié)果產(chǎn)生氨。 2．氨的排除NH3的特點(diǎn)： 劇毒物質(zhì)，必須排除；NH3分子小，易溶于水、易透過細(xì)胞膜；排除方法與生活方式有關(guān)。（1）水生動物的排泄排泄物的主要形式是NH3， 缺點(diǎn)是消耗大量的水。 小型動物直接排泄：NH3→體表→外界水環(huán)境；或稀釋后排泄：NH3→稀釋→減弱毒性→排泄系統(tǒng)→體外。（2）陸生動物排泄排泄物主要為尿素、尿酸，優(yōu)點(diǎn)是耗水少，這是對陸地生活的適應(yīng)性。①尿素的排泄尿素的形成：NH3經(jīng)氧化形成尿素，2NH3+CO2174。CO（NH2）2+H2O；優(yōu)點(diǎn)是毒性較小，可長時留存；可積累、濃縮（節(jié)水）；缺點(diǎn)是仍耗水、仍有毒性；兩棲類：蝌蚪似魚，以排NH3為主、尿素次之；成體以排尿素為主；胎生陸生動物哺乳類（人）以排尿素為主。②尿酸的排泄優(yōu)點(diǎn)是無毒性；是結(jié)晶狀態(tài)，不溶于水，節(jié)水；且不影響體液平衡（內(nèi)穩(wěn)態(tài)）；適應(yīng)性于軟體動物、節(jié)肢動物、爬行動物、鳥類等。干旱地區(qū)生活的生物，如鳥類、爬行類等卵生陸生動物，卵外有卵殼，胚胎的代謝廢物無法通過，尿酸則儲存于卵內(nèi)。③進(jìn)化上的啟示趨同進(jìn)化、平行進(jìn)化：排泄物為尿酸的兩大支陸生動物：軟體、節(jié)肢等屬無脊椎動物；爬行、鳥類屬脊椎動物；二者關(guān)系很遠(yuǎn)，這是生物在生理特征上生物有趨同進(jìn)化（平行進(jìn)化）的一個例子。在排泄物方式上，部分水生動物以尿酸（不是NH3）為主，如淺濱螺、錐實(shí)螺、扁卷螺等；這是生物的進(jìn)化是從水生到陸生的過渡類型； 部分陸生動物：以NH3and/or尿素為主，如 鼠婦以NH3為主、蚯蚓以NH為主，說明這些生物尚未進(jìn)化到真正適應(yīng)陸地上生活，只能生活在潮濕的環(huán)境中。④多種其它形式的含氮廢物蜘蛛的含氮廢物為鳥嘌呤；多種魚類是三甲基胺等。（三）水鹽平衡 1．海洋動物的水鹽平衡大多和海水等滲，不存在水鹽平衡的問題；有些生物（如某種蟹）可生活在低滲溶液中，這是由于其鰓有調(diào)節(jié)體液鹽分濃度的作用。鰓將半咸水中的鹽分逆濃度梯度吸收，將過多的水（與體液等滲）排出。有些海洋動物如牡蠣、蛤等，當(dāng)海水變?yōu)榈蜐B時，只是被動地關(guān)閉外殼。海洋硬骨魚的補(bǔ)祖先生活于淡水中，體內(nèi)與海水相比是低滲的，其適應(yīng)方式為：（1）全身都蓋有磷片，減少水分從體表滲出；（2）不斷飲入海水，用鰓上的特化細(xì)胞泌出鹽分；（3）含氮廢物質(zhì)大多以NH3的形式從鰓排出，腎臟的排尿量減少，減少失水。鯊和硬骨魚一樣，祖先生活于淡水，其體內(nèi)鹽類與硬骨魚相似，但血中尿素含量很高，使體液滲透壓高于海水；鯊血中還含在另一種含氮廢物三早基胺，以減少尿素的毒性。海產(chǎn)的或沿海生活的鳥類，如信天翁等，參鹽腺泌鹽。2．淡水動物的水鹽平衡淡水魚來自海洋生活的祖先，其調(diào)節(jié)體液平衡的機(jī)制是：（1）體表有鱗片；（2）從不飲水；（3）尿是高度稀釋的，其含鹽量遠(yuǎn)低于血液；（4）鰓上有特化細(xì)胞，從水中主動吸收鹽分。3．陸生動物的水鹽平衡陸生動物面臨的主要問題是缺水、失水，相對應(yīng)的解決辦法是飲水、節(jié)水（保水）。（1）未完全適應(yīng)陸生的種類如蚯蚓、蛙等，未能完全擺脫對水的依賴，它們的皮膚可進(jìn)行輔助呼吸，若皮膚裸露，就會失水。故它們只能生活在潮濕環(huán)境中。排泄物形式為NH3或尿素，蚯蚓為NH3和尿素；蛙以尿素為主，這個過程是耗水過程。（2）完全適應(yīng)陸生的種類如昆蟲、爬行類、鳥類、哺乳類，其適應(yīng)方式是飲水、保水（節(jié)水）。保水主要通過：體表無呼吸功能，干燥、有覆蓋物；有幾丁質(zhì)外骨骼、鱗、羽、毛等；除汗腺外不再失水；呼吸器官深藏體內(nèi)（氣管、書肺、肺）；排泄器官回收水能力強(qiáng)（尿濃）； 排泄物為尿酸（昆蟲、爬行類、鳥類）和尿素（哺乳類）（濃度高）；利用代謝水。多種昆蟲生活在干燥環(huán)境，食用干燥食物，不飲水；袋鼠生活在干燥炎熱環(huán)境、幾乎不飲水；它們的糞便干燥，直腸回收水分能力很強(qiáng)；不出汗：袋鼠，強(qiáng)烈日照汗液作用—排泄、調(diào)節(jié)體溫；汗液成分—水、NaC、乳酸、尿素等（四）排泄和水鹽平衡器官 1．伸縮泡：是原生動物調(diào)節(jié)水鹽平衡的器官，海洋生物大多沒有伸縮泡。2．原腎管：渦蟲、輪蟲等的排泄器官，其特點(diǎn)是有火焰細(xì)胞，呈現(xiàn)管狀，有纖毛伸入排泄管中。3．后腎管：環(huán)節(jié)動物和軟體動物的排泄器官稱為腎管或后腎管，腎管按體節(jié)排列。4．觸角腺：蟹等甲殼類動物的排泄器官是觸角腺，又稱綠腺。5．馬氏管：昆蟲的排泄器官稱為馬氏管。6．脊椎動物的排泄器官： 泄殖腔：是兩棲、爬行、鳥類的排泄器官，由直腸末端膨大，輸尿管、輸精（卵）管、直腸通入。末端的孔為泄殖腔孔；回收水分能力很強(qiáng)，糞便干（特別是干旱地區(qū)的爬行、鳥類）。腎臟：其特點(diǎn)是高度集中的器官， 不再形成分支深入器官組織間；循環(huán)系統(tǒng)參與排泄物的運(yùn)輸，廢物進(jìn)入血液后，由腎排到體外；腎臟對尿液有濃縮、加工作用。人的排泄系統(tǒng)：由 腎、輸尿管、膀胱、尿道組成。（1）腎臟的構(gòu)造 由皮質(zhì)、髓質(zhì)、腎盂構(gòu)成。 腎臟生理特點(diǎn)是過濾作用強(qiáng)、 血流量大（1．2/min）、 血流速度緩慢、血壓高。 腎臟由100萬個腎單位組成，腎單位由腎小體和腎小管組成； 腎小體又由腎小球和腎小囊組成。腎單位（特別是腎小管）各部分規(guī)律排列形成腎臟皮質(zhì)和髓質(zhì)。皮質(zhì)部由腎小體（腎小球、腎小囊），髓質(zhì)部由髓袢的大部分、集合管的大部分組成。（2）尿的形成 A．腎小球?yàn)V出液（原尿）的形成： 血液流到腎小球的毛細(xì)血管網(wǎng)時，濾過到腎小囊腔內(nèi)，形成濾液，進(jìn)入腎小管。 實(shí)驗(yàn)證明，濾液形成與血壓正相關(guān)、濾液形成與耗氧量無關(guān)。這說明。滲透作用是一個物理過程，是被動運(yùn)輸，不耗能。腎小囊（壁）的細(xì)胞稱為足細(xì)胞，是單層、扁平、偽足樣突起，鋪在腎小球微血管壁上，間隙可容血漿透過。濾液（原尿）量大，每天約180（150200），而排尿量約為1．52/天。原尿的成分與尿不同，與血液相似、與組織液相當(dāng)，無血細(xì)胞、大分子蛋白質(zhì)少。B．終尿（尿）的形成：濾夜（原尿）的加工 終尿（尿）中無蛋白質(zhì)分子，異常時（如腎炎），尿中含蛋白質(zhì)大分子，原因是腎小球壁擋不住蛋白質(zhì)大分子，腎小管的重吸收功能喪失。終尿的形成—腎小管、集合管的加工作用重吸收作用 濾液中物質(zhì)再進(jìn)入血液為重吸收，發(fā)生在近曲小管。特點(diǎn)是：（1）主動運(yùn)輸，即耗能（管壁細(xì)胞中含有大量線粒體）、耗氧。（2）選擇性：回收能力因物質(zhì)種類而異。葡萄糖、氨基酸、蛋白質(zhì)、維生素等被全部回收；NaC、K+等被子大部回收；尿素、尿酸、H2POHPO42被部分回收，用于調(diào)解滲透壓；有害物質(zhì)（NH肌酐等）則完全不吸收。但當(dāng)有限度：高血糖160mg/100m血液時，不能全部重吸收，出現(xiàn)糖尿。分泌和排泄作用部位在遠(yuǎn)曲小管，主要作用是：（1）調(diào)節(jié)血液酸堿度：如血液中H+（或HCO3）進(jìn)入濾液；（2）調(diào)節(jié)血液離子平衡：血液中NH4+、K+、H+進(jìn)入濾液，幫助Na+的重吸收；（3）排泄：代謝廢物和產(chǎn)物、藥物、毒物。濃縮作用主要在集合管。髓袢的生理特點(diǎn)、作用為集合小管營造高效逆流交換環(huán)境。 升支對水的通透性很低，管內(nèi)水量保持不變，大量泵出濾液中的Na+ 。結(jié)果管內(nèi)濾液中Na+濃度逐漸降低，管外組織液中Na+濃度升高。降支：管外組織液濃度始終大于管內(nèi)濾液，結(jié)果：Na+滲入管內(nèi)，使管內(nèi)Na+濃度升高。Na+環(huán)流的形成總結(jié)如下： 降支：Na+滲入174。Na+濃度升高，在U形轉(zhuǎn)彎處Na+濃度最高； 升支：Na+泵出174。Na+濃度降低， 末端濃度最低≤管外組織液； 兩個Na+濃度（滲透壓）梯度的形成，使髓袢內(nèi)濾液滲透壓在髓袢末端達(dá)到最低；髓袢外（即集合管外）組織液滲透壓也在髓袢末端亦最低，這有利于集合管發(fā)揮濃縮作用。集合管的濃縮作用：由于 管內(nèi)濾液濃度低、管外組織液濃度高，水分順濃度梯度進(jìn)行擴(kuò)散，結(jié)果管內(nèi)水分大量滲出，濾液被濃縮，形成終尿。濃縮后，濾液:終尿=180:1．5~2（/天），濃縮100倍。（3）排尿尿的成分：水占96%；含N廢物占2．5%，有尿素、少量尿酸、肌酐酸等；鹽類占1．5%，如NaC；少量K+、NHPO4SO42等。腎結(jié)石引起的原因是由于尿酸小結(jié)晶可隨尿排出，但大結(jié)晶在腎、膀胱內(nèi)結(jié)石，阻塞、摩擦、疼痛、炎癥。尿量的調(diào)節(jié)：①水分對尿量的調(diào)節(jié) 血液水分降低時，刺激下丘腦， 下丘腦一方面分泌抗利尿激素增多，作用于集合管，使其通透性增大，重吸收水能力增強(qiáng)，使尿量降低；另一方面，下丘腦將興奮傳遞到大腦皮層，引起渴覺，促進(jìn)飲水。飲水過多時，血液水分增多，刺激下丘腦，使其分泌的抗利尿激素減少，致使尿量減少。 ②鹽分對尿量的調(diào)節(jié)食入鹽分過多，刺激下丘腦， 一方面產(chǎn)生抗利尿激素增多，使尿量下降，體液滲透壓升高；另下方面，下丘腦將興奮傳遞到大腦皮層，引起渴覺，促進(jìn)飲水，使體液滲透壓升高。飲水過多時，鹽分濃度降低，下丘腦分泌抗利尿激素減少，使尿量增加，同時排出過多鹽分，使體液滲透壓下降。（4）糖尿病正常情況：原尿中葡萄糖在近曲小管處被全部重吸收回血液；而糖尿病患者的重吸收能力有限度，當(dāng)血糖腎閾限（），即糖尿。二、體溫調(diào)節(jié) （一）體溫與代謝的關(guān)系 1．體溫穩(wěn)定的重要性：過低使代謝減慢、停止；過高使代謝減慢、停止，甚至蛋白質(zhì)變性、酶活性喪失，生命停止。2．代謝率與溫度的關(guān)系：在生命活動范圍內(nèi)，溫度每上升10℃，代謝率增加23倍。溫度對動物的代謝影響極大。（二）變溫動物與恒溫動物 1．變溫動物：亦稱為外熱動物、冷血動物，其 特點(diǎn)是對外界溫度依賴性很強(qiáng)，體溫隨外界溫度變化。溫度過低時，進(jìn)入冬眠，此時代謝率、一般不能利用代謝熱來維持體溫、皮膚無保溫覆蓋物（毛、羽）、無汗腺等調(diào)節(jié)體溫能力。2．恒溫動物：亦稱內(nèi)熱動物、熱血動物。 特點(diǎn)與變溫動物相反。保持恒溫要耗費(fèi)大量能量，實(shí)驗(yàn)證明 同一地區(qū)的蠑螈（變溫動物）和鳥類、小型哺乳類（恒溫動物）在增長相同生物量時， 變溫動物耗能僅為恒溫動物的20%。變溫動物改變活動量、棲息地等，在一定程度上保持體溫。而恒溫動物的體溫在一度范圍內(nèi)波動，也具有一定的相對性。 （三）動物形態(tài)結(jié)構(gòu)和生理特點(diǎn)1．隔離和緩沖： 隔離將刺激阻擋于體外；緩沖將刺激的效應(yīng)降低至耐受范圍。 （1）甲蟲：生活于日照強(qiáng)烈的荒地、沙漠時， 體色淡，吸收的日光下降、翅下空氣產(chǎn)生隔熱層，都具有隔離作用。生理最適溫度高達(dá)49℃，起到緩沖作用。生活于高山、雪地時，體色深黑，吸收的熱量增加。（2）駱駝—“沙漠之舟”其面臨的兩大問題是降溫和節(jié)水。降溫：一方面 減少熱量的吸收（形態(tài)結(jié)構(gòu)上的隔離），如駱駝個體大，相對表面積（吸熱面積）小，體背面光照最強(qiáng)，但皮下脂肪厚（駝峰）；分散熱量（形態(tài)結(jié)構(gòu)上的緩沖）個體大，故體溫升幅小。另一方面增大散熱作用（形態(tài)結(jié)構(gòu)上的緩沖）：體腹面下方氣溫低；體腹面皮下脂肪很薄，利于散熱；夜間體溫下降（生理上的緩沖），略低于正常體溫（預(yù)留量），為第二天接受日曬作好了準(zhǔn)備；耐受幅度大（生理上的緩沖），暴曬體溫上升163。6℃仍在耐受限度以內(nèi)。節(jié)水（緩沖）：極耐旱，在炎熱夏季可一周不飲水，這是因?yàn)樯眢w具有儲水（形態(tài)結(jié)構(gòu)緩沖）作用，瘤胃周圍2030個小儲水囊（特化的瓣胃）；另一方面，駱駝生理上很節(jié)水（生理緩沖），不出汗（5/天）、尿極濃，耐受力強(qiáng)（生理），可忍耐失水25%的范圍，而人失水10%就會昏迷、耳聾、痛覺喪失。2．體表熱量損失的控制恒溫動物當(dāng)體溫大于環(huán)境溫度時，體表熱量就會損失。熱量損失主要發(fā)生在附肢（足、鰭、尾），這些部分溫度小于軀干部溫度，使熱量損失。水鳥、海獸等具有逆流交換血管網(wǎng)可減少熱量損失，其足、鰭、尾基部大片小血管網(wǎng)，動脈血（溫度高）與靜脈血（溫度低）兩者互相平行，交換熱量， 動脈血溫下降，減少了附肢熱量損失；靜脈血溫升高，軀干部回收熱量。3．體積大小與體溫的調(diào)節(jié)體小動物相對表面積大，散熱快。主要通過代謝率來調(diào)節(jié)體溫：代謝率高，產(chǎn)熱多，彌補(bǔ)損失。代謝率高低與體積大小成反比。（四）體溫的行為調(diào)節(jié) 1．爬行動物行為調(diào)節(jié)：主要通過改變棲息地、活動時間，如早晨、冷天會在避風(fēng)處、曬太陽，中午則在蔭涼、通風(fēng)處；還可通過改變身體姿勢、方向，如早晨、冷天，身體與日光垂直；中午則身體與日光平行，抬起身體讓冷風(fēng)吹過體腹面。