Một trong những quá trình sinh học cơ bản trong các sinh vật sống và hơn hết là đối với những sinh vật sống trong các hệ sinh thái dưới nước là osmoregulation, còn được gọi là cân bằng thẩm thấu.
Tất cả các phản ứng trao đổi chất cần thiết cho sự sống đều diễn ra trong môi trường nước hoặc lỏng. Để hoạt động chính xác của các phản ứng này, điều cần thiết là nồng độ của nước và chất tan (tất cả các hợp chất hữu cơ trọng lượng phân tử thấp giúp duy trì cân bằng thẩm thấu) dao động trong biên độ tương đối hẹp, trong một quá trình được gọi là osmoregulation.
Chúng ta có thể xác định osmoregulation như phương pháp duy trì homeostasis của cơ thể, không gì khác hơn là khả năng của các sinh vật sống duy trì trạng thái bên trong ổn định tùy thuộc vào những thay đổi có thể xảy ra bên ngoài thông qua quá trình trao đổi vật chất và năng lượng với nó.
Tất cả điều này phụ thuộc một cách quan trọng vào chuyển động có kiểm soát của chất tan tồn tại trong chất lỏng bên trong và những chất lỏng được tìm thấy trong môi trường. Điều này dẫn chúng ta đến sự điều chỉnh trong chuyển động của nước đóng vai trò cơ bản.
Quy định chuyển động của nước này được thực hiện bởi sự thẩm thấu, là một hiện tượng vật lý dựa trên sự chuyển động của dung môi lỏng qua màng bán thấm. Hiện tượng này phát sinh nhờ khuếch tán không đòi hỏi tiêu tốn năng lượng và rất quan trọng cho quá trình trao đổi chất tế bào của sinh vật sống.
Nói tóm lại, osmoregulation giúp đảm bảo rằng nồng độ chất tan tồn tại bên trong sinh vật (ví dụ, trong tế bào) và môi trường xung quanh chúng có xu hướng cân bằng lẫn nhau thông qua chảy qua màng bán thấm. Hoàn cảnh này cho phép điều chỉnh áp suất thẩm thấu (áp suất tác dụng để ngăn dòng dung môi thấm qua màng).
Cân bằng thẩm thấu ở động vật
Ở hầu hết các loài động vật, chất lỏng cung cấp cho tế bào là isosmotic so với các chất lỏng cùng tồn tại bên trong tế bào. Điều này có nghĩa là các chất lỏng bên trong và bên ngoài tế bào có áp suất thẩm thấu tương tựĐiều này ngăn ngừa tế bào sưng lên quá mức, như sẽ xảy ra trong giải pháp nhược trươnghoặc nhăn nheo, điều gì đó xảy ra trong dung dịch ưu trương.
Để có thể giữ những chất lỏng đó isosmotic Ở cả hai bên màng sinh chất, nhiều tế bào sử dụng vận chuyển ion hoạt động (ví dụ: bơm Na+ ra ngoài) đòi hỏi phải tiêu hao năng lượng, bổ sung cho các quá trình thụ động.
Tế bào động vật nhìn thấy trong một dung dịch đẳng trương một môi trường thích hợp cho sự hoạt động và phát triển bình thường của nó. Ở thực vật, điều này không đúng: các tế bào thực vật được tìm thấy trong dung dịch đẳng trương có thể bị rụng tóc sự căng phồng, vì thành tế bào của nó giữ lại các chất tan và phụ thuộc vào áp suất bên trong cao.
Vận chuyển thụ động và chủ động của nước và ion
El quá cảnh thụ động không liên quan đến việc tiêu thụ năng lượng: các ion Chúng khuếch tán từ môi trường từ nồng độ cao hơn đến nồng độ thấp hơn và bằng thẩm thấu, nước di chuyển theo hướng ngược lại. Tốc độ khuếch tán ion có thể bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ, trong khi thẩm thấu phụ thuộc vào gradien chất tan.
El vận chuyển tích cực đòi hỏi năng lượng trao đổi chất. Nó được sử dụng cho loại bỏ các ion dư thừa (chất thải trao đổi chất) hoặc cho hấp thụ các chất cần thiết đi ngược lại với độ dốc. Ở cá, quá trình vận chuyển này chủ yếu xảy ra ở tế bào biểu mô mang, trong ruột và trong thận.
Hormone và nội tiết kiểm soát quá trình thẩm thấu
Sự điều hòa thẩm thấu được điều chỉnh bởi kích thích tốỞ cá biển, cortisol thúc đẩy quá trình bài tiết muối trong mang; ở cá nước ngọt, prolactin thúc đẩy sự hấp thụ ion và giữ nước. calcitonin ảnh hưởng đến việc quản lý canxi và thấm của màng. Ngoài ra, trục GH/IGF-1 (hormone tăng trưởng/yếu tố insulin) tạo điều kiện thích nghi với môi trường nước muối và cá xương sử dụng thụ thể mineralocorticoid với cortisol như một phối tử chức năng để điều chỉnh quá trình vận chuyển ion.
Điều hòa thẩm thấu ở động vật thủy sinh
Động vật thủy sinh đã thích nghi với nhiều môi trường sống khác nhau, từ nước ngọt (với rất ít chất tan) đến vùng nước siêu mặn (có nhiều chất tan). Điều này khiến họ gặp rắc rối cân bằng thẩm thấu rất khác nhau. Ngoài ra, mỗi loài hoạt động trong một phạm vi thẩm thấu môi trường xung quanh xác định.
- Lỗ kim: sinh vật chịu được một phạm vi hẹp độ mặn của môi trường, cả nước ngọt và nước mặn.
- Euryhalines: sinh vật có khả năng chịu đựng được nhiều loại độ mặn, có khả năng sống và di chuyển giữa nước ngọt, nước lợ và nước biển, ví dụ một số di cư giữa sông và biển.
Có hai cách chính để đạt được điều này: osmoregulation:
El osmoconformism đề cập đến các loài động vật đang ở trong cân bằng thẩm thấu với môi trường mà chúng sống, nghĩa là, chất dịch cơ thể của chúng hầu như isosmotic liên quan đến môi trường. Chúng thường là sinh vật biển, đặc biệt là nhiều động vật không xương sống và một số động vật có xương sống sụn tích tụ Urê và các chất thẩm thấu khác để cân bằng áp suất thẩm thấu xung quanh.
Những con vật osmoregulators duy trì độ thẩm thấu bên trong của chúng khác biệt với độ thẩm thấu của môi trường, chủ động điều chỉnh cân bằng nước và các ion. Chi phí năng lượng thay đổi tùy theo thấm của bề mặt cơ thể. Nếu osmolarity của chất lỏng cơ thể lớn hơn của môi trường, động vật là hyperosmotic; nếu nó ít hơn, thì nó là giảm thẩm thấu.
Thích nghi và thay đổi độ mặn
Các loài euryhaline (ví dụ, một số loài di cư giữa sông và biển) phải đối mặt với những thách thức bổ sung. Quá trình thích nghi của chúng bao gồm những thay đổi dần dần về biểu hiện của chất vận chuyển ion trong mang và ruột, sự điều chỉnh trong chức năng thận và một cái tốt điều hòa nội tiết tố (cortisol, prolactin, GH/IGF-1). Những thay đổi này đòi hỏi thời gian và năng lượng; do đó, sự thay đổi đột ngột về độ mặn có thể tạo ra căng thẳng thẩm thấu.
Quá trình thẩm thấu ở cá nước ngọt
Ở cá nước ngọt, nồng độ các ion cơ thể lớn hơn cơ thể có trong nước. Điều này gây ra sự khuếch tán của nước vào bên trong của cá qua biểu mô mang và da. Nếu không được kiểm soát, dòng chảy này có thể làm sưng các mô và làm suy yếu các chức năng sống.
Để bù đắp, thận của những con cá này tạo ra khối lượng nước tiểu lớn rất loãng (lọc cầu thận cao), cho phép đào thải thừa nước. Khi nồng độ muối của chúng vượt quá nồng độ muối của môi trường, cá sẽ mất chất điện giải bằng cách khuếch tán, vì vậy chúng phải tái hấp thụ muối thông qua các tế bào chuyên biệt trong mang và có được chúng thông qua cho ăn.
Ở biểu mô mang, trao đổi ion có liên quan đến chính quá trình trao đổi ion. trao đổi chất. Carbon dioxide được chuyển đổi thành muối nở và được trao đổi với các ion cloruatrong khi amoni (từ quá trình dị hóa protein) có thể được loại bỏ bằng cách trao đổi nó với natri. Vì vậy, bài tiết chất thải được kết hợp với việc duy trì cân bằng ion.
El pH của các điều kiện nước những trao đổi này: trong nhiều môi trường axit, Việc hấp thụ Na+ rất khó khăn và natri có thể tích tụ trong máu và gây ra phù nề hoặc cổ trướng ở các loài nhạy cảm. Duy trì một pH ổn định và trong phạm vi của loài, điều cần thiết là tránh sự nhiễu loạn thẩm thấu.
Trong aquariophilia, người ta thường thêm một lượng nhỏ muối không chứa clo trong các cơ sở nước ngọt mới được tuần hoàn khi tính ổn định sinh học vẫn chưa đạt được. Sự hiện diện của một số các ion trong nước nó tạo điều kiện thuận lợi cho việc trao đổi ở mang và giúp kiểm soát amoniac trong giai đoạn trưởng thành của hệ thống. Nó nên được thực hiện với tiêu chuẩn và tùy theo loài, vì một số loài nhạy cảm với sự gia tăng độ dẫn điện.
Quá trình thẩm thấu ở cá nước mặn
Ở cá biển, môi trường bên ngoài là hyperosmotic liên quan đến chất lỏng bên trong của nó. Do đó, nước có xu hướng rời khỏi cơ thể bằng thẩm thấu và các ion từ biển xâm nhập bằng cách khuếch tán qua mangRủi ro chính là mất nước nếu không được chủ động sửa chữa.
Để tránh mất nước, cá biển họ uống nước biển và hấp thụ nước trong ruột sau khi kết tủa và tách một phần muối. Lượng dư NaCl Nó được loại bỏ trong mang bởi các tế bào clorua (giàu ty thể) tiết ra cloro thông qua các kênh cụ thể và trục xuất natri bằng các con đường ngoại bào. Một số phần còn lại được bài tiết qua phân y nước tiểu.
Không giống như cá nước ngọt, nhiều loài cá biển sản xuất ít nước tiểu và với nồng độ tín hiệu cao. Điều này liên quan đến sự hiện diện thấp hơn của tiểu cầu trong thận; một số loài, chẳng hạn như cá ngựa, phát triển thận tiểu cầu dạng cầu. Để phục hồi nước và hạn chế tổn thất, họ đã lâu ống thận và cơ chế tái hấp thu hiệu quả.
Ở cá sụn biển (không phổ biến trong bể cá cảnh), chiến lược thì khác: chúng là các thể đồng dạng thẩm thấu tích lũy Urê và các chất thẩm thấu khác để cân bằng áp suất thẩm thấu của nó với biển, đẩy muối dư thừa ra ngoài thông qua các tuyến chuyên biệt. Sự đề cập này minh họa cho sự đa dạng của giải pháp tiến hóa cho cùng một vấn đề thẩm thấu.
El nhấn mạnh thay đổi quá trình điều hòa thẩm thấu: những thay đổi đột ngột trong độ mặn, chất lượng nước kém hoặc quản lý không đầy đủ làm mất ổn định kích thích tố và các chất vận chuyển ion. Mặc dù cortisol tạo điều kiện thuận lợi cho việc thích nghi với nước mặn, căng thẳng mãn tính làm suy yếu hàng rào biểu mô và cân bằng nước, tăng khả năng mắc bệnh mầm bệnh.
Ý nghĩa trong nuôi trồng thủy sản
Trong sản xuất nuôi trồng thủy sản, độ mặn của nước là một yếu tố bạo kích cho sự tăng trưởng. Điều hòa thẩm thấu liên quan đến chi tiêu năng lượng nếu nó cao, sẽ lấy đi các nguồn lực từ tăng trưởng đã chuyển đổi nguồn cấp dữ liệu. Điều chỉnh phạm vi độ mặn tối ưu theo loài và giai đoạn, cùng với nhiệt độ y quang kỳ, tối đa hóa năng suất và sức khỏe. Ở cá xương biển, việc tiếp xúc với môi trường thẩm thấu cao buộc chúng phải tăng cường bài tiết muối và làm tăng chi phí trao đổi chất; do đó, người nuôi trồng thủy sản điều chỉnh độ mặn để cải thiện hiệu suất y tồn tại.
Sự cân bằng thẩm thấu có vẻ phức tạp, nhưng nó thực sự là cần thiết cho cuộc sống. Hiểu nó giúp giải thích hành vi và nhu cầu của cá, cả trong tự nhiên và trong bể cá. Điều quan trọng là phải tôn trọng phạm vi môi trường của mỗi loài, tránh thay đổi đột ngột và đảm bảo chất lượng nước duy trì cơ chế bảo vệ của nó osmoregulation mà không tốn thêm chi phí năng lượng không cần thiết.
