动物脱盐的生理机制

□吕雪萱

字数:2064 2024-03-27 版名:文化
  轮船失事后幸免于难的人,置身于辽阔的大海中,等待救援。他们遇到的最大困难就是干渴,这比饥饿和鲨鱼对生命的威胁更大。可是,极目望去,一片汪洋,海水有的是,但却解不了渴。奇怪的是,鲸、海豚等海洋哺乳动物,翱翔在海洋上空的海鸟,一生在海中生活的海龟以及从江河中回游入海的鳗、鲑等鱼,怎么能那样悠哉游哉、怡然自得地在海域生活呢?
  须知,地球上广阔的水域中拥有的水量多达15亿立方公里,而淡水所占比例仅为约3%,其中的大部分淡水以天然冰或地下水的形式存在。因此,在淡水缺乏的临海城市或地区,建造了各种类型的海水淡化装置,以及从其他液体制备淡水的装置,如各种蒸发装置(包括太阳能装置)、冷冻脱盐器(冻结时,淡水以冰晶形式析出)、电渗析装置、超过滤装置(在高压下,淡水透过特制薄膜,盐则留下)、离子交换法脱盐及其他矿物质。海水脱盐,费用昂贵,水质也比不上天然淡水。
  为了从海洋动物脱盐机制中找到借鉴,人们做了不少研究工作。
  高等动物的有机体,能对血液、细胞间液的组分进行精确地调节。其中,血液渗透压起着极为重要的作用。例如,人喝了很多水后,血液中的溶解物质减少,液体就溶到浓度大的细胞里去。水容易渗透细胞膜,而溶解在水中的物质则不容易渗透。因此,有机体中的水往盐分高的地方跑,以求达到水分中含盐量的平衡。这种运动的性质决定了渗透压的大小。
  活的有机体失水时,血液中的物质浓度增大,细胞起皱,而水过量时,细胞肿胀,对大脑、心脏及其他器官的工作也会产生不良影响。血液中渗透压通常维持在低于 1%的水平,如果达到1%—2%,甚至更高,就会有越来越强烈的干渴感,如果太低,则肾脏加强排水。
  干渴感刺激有机体饮水。对于生活在干旱缺水地区或海洋中的动物来说,只有采取别的办法——用特别的腺体或肾脏使血液脱盐,也就是为机体生产淡水。
  动物的脱盐装置有几种类型:软骨鱼类、鸟类和爬行类用盐腺,哺乳动物用肾脏,昆虫也有一套特殊的脱盐装置。
  脱盐的方法之一是由机体内直接脱盐,如鸟和爬行动物的盐腺。它们从血液中分离出盐分子,直接排出体外。海鸟有一对鼻腺,在眼窝上方,其导管的开口在鼻腔内;海龟的盐腺在眼窝内。这些动物在饮过海水后,“盐”泪就夺眶而出。海蛇的盐腺开口在口腔内,“盐”涎由口中流出。海鱼也有排出盐分的地方,如鲨鱼从肛门排盐,多刺鱼的鳃中有专门把血中的氯离子和钠离子排出体外的细胞,从而保证了血液中的含盐量达到平衡。
  很多海洋动物血液中的含盐量比周围环境要低。它们常把体内的水通过皮肤排出去,脱水后,血液中的含盐量增高,出现干渴感。多刺的海鱼、海龟、海蛇、海鸟就喝起含盐的海水来。水经过小肠吸入体内,血液中的盐分更增高,于是海鸟和海洋爬行动物通过盐腺、海鱼通过腮中的脱盐细胞,开始向外排出高浓度的盐溶液。这时的盐溶液浓度比血浆高,甚至比海水高,所以能达到脱盐的目的。当鱼失去淡水后,一切又重新开始。
  每千克海水中约含有钠10.62g,人和海鸥的血浆中含钠约140mmol/L,银色海鸥盐 腺 液 中 含 约 600—钠800mmol/L,黑脚信天翁约800—900mmol/L,北方海燕高达1100mmol/L。盐腺并不总在工作,它只在有机体内盐分过剩时才进行工作。它的工作效率是很高的,人的肾脏每小时最多可排液l公升,而海鸥的盐腺排液量要高20倍。盐腺专用于排盐,而肾脏可用来排出各种各样的物质。
  盐腺的工作原理是:根据神经系统的信号,血液中的钠、钾、氯三种离子往腺细胞中排出的过程增强。氯离子穿过整个细胞,透过细胞膜,进入腺导管,钠离子则从另一个途径,穿过细胞间的空隙进入腺导管,同氯离子化合,形成高浓度盐溶液而排出体外。
  人和温血动物的肾中,进行着另一种将机体排泄液中的盐分加以浓缩的过程。他们的肾脏液体的渗透压,要比血液高25—30倍。澳洲袋鼠创造了纪录——每公升血浆含钠约9400毫克分子。肾脏内物质的高度浓缩使得物质交换过程中生成的水得以保存在机体内,这些水完全能满足机体对淡水的需求,而不必再去喝水。对于肾脏浓缩盐的工作机制,过去认为是它主动地把水从肾液中抽到血液中去,现在才知道,是在渗透梯度(即向盐浓度高的地方渗透)的作用下,肾小管内的水被动地渗入血液内。
  海洋动物还用一种在血液内保持较高的有机物含量的办法来获取淡水。如鲨和鲧的肾脏,能使其血浆内的尿素含量比人血高100倍,而尿素对氯化钠及其他盐类能起到一种透射调节作用,即能使血浆与细胞外液体的渗透压比周围的海水高出很多。因此,“淡水”被动地穿过鳃和表皮的某些区域,渗入鱼的身体,这样一来,鱼就没有喝海水的必要了。
  有时,也会遇到相反的情况——机体内水分过多,必须保留盐分,排出水分。或者需要生成含低浓度物质的生物液体。上述情况见于涎腺、汗腺,以及鱼类、两栖类、爬行类、鸟类、哺乳类动物的肾脏,蚯蚓和甲壳动物的排泄器官。这一过程的机制在于:盐浓度跟血浆差不多的液体由血液进入盐腺前部或肾单位,腺体或肾脏的导管细胞通过不渗水的器壁,吸收钠和氯两种离子,生成低盐液体。只不过,人的肾单位集管壁能改变透水性,当需要使水中饱含盐分时,集管壁就让水通过,反之则阻滞水通过。
  人类可以从动物脱盐装置中得到启发,制造出更经济有效的脱盐装置,缓解水资源短缺地区的困境。