高中生物奥林匹克竞赛辅导专题讲座_专题十四_内环境的控制

“高中生物颖韬工作室”整理·1·高中生物奥林匹克竞赛辅导专题讲座专题十四内环境的控制[竞赛要求]1．系统组成2．肾脏系统的结构3．尿的产生4．体液平衡（内稳定）[知识梳理]一、内环境和稳态概述1．内环境：是指体液（细胞外液），由血液、淋巴液、脑脊髓液、组织液（器官组织间液体）构成。2．稳态：生物要求内环境保持稳定，这种内稳态的性质是在神经和体液的调节下，各器官系统协调活动，维持内环境相对稳定的状态。内稳态是靠负反馈调节的。3．现代广义的稳态：是指在同一层次上的稳态，从细胞到生态系统。4．影响内稳态的因素：（1）外界条件变化：如温、湿度等；（2）生物体自身状态变化：如运动、摄食等。二、体液调节—排泄和水盐平衡（一）体液细胞生活在液态环境中，低等动物生物在水环境，高等动物的细胞生活在体液中。体液是指细胞外液，包括血液、淋巴、组织液等；内环境主要指体液。内环境的特性：海洋生物的体液成分似海水；淡水、陆生生物体液与海水很不相同。体液调节主要机制有二个：（1）排泄：排出代谢废物；（2）水盐平衡：调节水量、保持体液盐分浓度稳定。（二）排泄1．动、植物在利用含氮物质上的区别：植物：能利用无机氮；可反复利用蛋白质分解产生的含氮基团；不存在排泄含氮废物的过程；无排泄系统。动物：不能利用无机氮；不能重复利用蛋白质分解产生的含氮基团；无氨基酸库，不能储存蛋白质、氨基酸等（在动物体内，多余蛋白质、氨基酸等转变为糖原、脂肪储存起来或脱氨基转变为NH3、尿素、尿酸等，排出体外）。有排泄系统和排泄器官：排出代谢废物，保持体液稳定，如皮肤能排出汗腺；肝脏排出胆汁（胆固醇、胆色素）；肠道排出Ca2+、Fe2+（粪便）。排泄的物质主要包括：多余的水、多余的盐分、蛋白质代谢废物如氨、尿素、尿酸、肌酐等。2．转氨与脱氨转氨：氨基酸的-NH2转移到一种酮酸上。结果形成新的氨基酸。天冬氨酸+-酮戊二酸草酰乙酸+谷氨酸脱氨（氧化脱氨）：谷氨酸+H2O-酮戊二酸+NH3，结果产生氨。2．氨的排除NH3的特点：剧毒物质，必须排除；NH3分子小，易溶于水、易透过细胞膜；排除方法与生活方式有关。“高中生物颖韬工作室”整理·2·（1）水生动物的排泄排泄物的主要形式是NH3，缺点是消耗大量的水。小型动物直接排泄：NH3→体表→外界水环境；或稀释后排泄：NH3→稀释→减弱毒性→排泄系统→体外。（2）陆生动物排泄排泄物主要为尿素、尿酸，优点是耗水少，这是对陆地生活的适应性。①尿素的排泄尿素的形成：NH3经氧化形成尿素，2NH3+CO2CO（NH2）2+H2O；优点是毒性较小，可长时留存；可积累、浓缩（节水）；缺点是仍耗水、仍有毒性；两栖类：蝌蚪似鱼，以排NH3为主、尿素次之；成体以排尿素为主；胎生陆生动物哺乳类（人）以排尿素为主。②尿酸的排泄优点是无毒性；是结晶状态，不溶于水，节水；且不影响体液平衡（内稳态）；适应性于软体动物、节肢动物、爬行动物、鸟类等。干旱地区生活的生物，如鸟类、爬行类等卵生陆生动物，卵外有卵壳，胚胎的代谢废物无法通过，尿酸则储存于卵内。③进化上的启示趋同进化、平行进化：排泄物为尿酸的两大支陆生动物：软体、节肢等属无脊椎动物；爬行、鸟类属脊椎动物；二者关系很远，这是生物在生理特征上生物有趋同进化（平行进化）的一个例子。在排泄物方式上，部分水生动物以尿酸（不是NH3）为主，如浅滨螺、锥实螺、扁卷螺等；这是生物的进化是从水生到陆生的过渡类型；部分陆生动物：以NH3and/or尿素为主，如鼠妇以NH3为主、蚯蚓以NH3、为主，说明这些生物尚未进化到真正适应陆地上生活，只能生活在潮湿的环境中。④多种其它形式的含氮废物蜘蛛的含氮废物为鸟嘌呤；多种鱼类是三甲基胺等。（三）水盐平衡1．海洋动物的水盐平衡大多和海水等渗，不存在水盐平衡的问题；有些生物（如某种蟹）可生活在低渗溶液中，这是由于其鳃有调节体液盐分浓度的作用。鳃将半咸水中的盐分逆浓度梯度吸收，将过多的水（与体液等渗）排出。有些海洋动物如牡蛎、蛤等，当海水变为低渗时，只是被动地关闭外壳。海洋硬骨鱼的补祖先生活于淡水中，体内与海水相比是低渗的，其适应方式为：（1）全身都盖有磷片，减少水分从体表渗出；（2）不断饮入海水，用鳃上的特化细胞泌出盐分；（3）含氮废物质大多以NH3的形式从鳃排出，肾脏的排尿量减少，减少失水。鲨和硬骨鱼一样，祖先生活于淡水，其体内盐类与硬骨鱼相似，但血中尿素含量很高，使体液渗透压高于海水；鲨血中还含在另一种含氮废物三早基胺，以减少尿素的毒性。海产的或沿海生活的鸟类，如信天翁等，参盐腺泌盐。2．淡水动物的水盐平衡淡水鱼来自海洋生活的祖先，其调节体液平衡的机制是：（1）体表有鳞片；（2）从不饮水；（3）尿是高度稀释的，其含盐量远低于血液；（4）鳃上有特化细胞，从水中主动吸收盐分。3．陆生动物的水盐平衡陆生动物面临的主要问题是缺水、失水，相对应的解决办法是饮水、节水（保水）。（1）未完全适应陆生的种类如蚯蚓、蛙等，未能完全摆脱对水的依赖，它们的皮肤可进行辅助呼吸，若皮肤裸露，就会失水。故它们只能生活在潮湿环境中。排泄物形式为NH3或尿素，蚯蚓为NH3和尿素；蛙以尿素为主，这个过程是耗水过程。“高中生物颖韬工作室”整理·3·（2）完全适应陆生的种类如昆虫、爬行类、鸟类、哺乳类，其适应方式是饮水、保水（节水）。保水主要通过：体表无呼吸功能，干燥、有覆盖物；有几丁质外骨骼、鳞、羽、毛等；除汗腺外不再失水；呼吸器官深藏体内（气管、书肺、肺）；排泄器官回收水能力强（尿浓）；排泄物为尿酸（昆虫、爬行类、鸟类）和尿素（哺乳类）（浓度高）；利用代谢水。多种昆虫生活在干燥环境，食用干燥食物，不饮水；袋鼠生活在干燥炎热环境、几乎不饮水；它们的粪便干燥，直肠回收水分能力很强；不出汗：袋鼠，强烈日照汗液作用—排泄、调节体温；汗液成分—水、NaC、乳酸、尿素等（四）排泄和水盐平衡器官1．伸缩泡：是原生动物调节水盐平衡的器官，海洋生物大多没有伸缩泡。2．原肾管：涡虫、轮虫等的排泄器官，其特点是有火焰细胞，呈现管状，有纤毛伸入排泄管中。3．后肾管：环节动物和软体动物的排泄器官称为肾管或后肾管，肾管按体节排列。4．触角腺：蟹等甲壳类动物的排泄器官是触角腺，又称绿腺。5．马氏管：昆虫的排泄器官称为马氏管。6．脊椎动物的排泄器官：泄殖腔：是两栖、爬行、鸟类的排泄器官，由直肠末端膨大，输尿管、输精（卵）管、直肠通入。末端的孔为泄殖腔孔；回收水分能力很强，粪便干（特别是干旱地区的爬行、鸟类）。肾脏：其特点是高度集中的器官，不再形成分支深入器官组织间；循环系统参与排泄物的运输，废物进入血液后，由肾排到体外；肾脏对尿液有浓缩、加工作用。人的排泄系统：由肾、输尿管、膀胱、尿道组成。（1）肾脏的构造由皮质、髓质、肾盂构成。肾脏生理特点是过滤作用强、血流量大（1．2/min）、血流速度缓慢、血压高。肾脏由100万个肾单位组成，肾单位由肾小体和肾小管组成；肾小体又由肾小球和肾小囊组成。肾单位（特别是肾小管）各部分规律排列形成肾脏皮质和髓质。皮质部由肾小体（肾小球、肾小囊），髓质部由髓袢的大部分、集合管的大部分组成。（2）尿的形成A．肾小球滤出液（原尿）的形成：血液流到肾小球的毛细血管网时，滤过到肾小囊腔内，形成滤液，进入肾小管。实验证明，滤液形成与血压正相关、滤液形成与耗氧量无关。这说明。渗透作用是一个物理过程，是被动“高中生物颖韬工作室”整理·4·运输，不耗能。肾小囊（壁）的细胞称为足细胞，是单层、扁平、伪足样突起，铺在肾小球微血管壁上，间隙可容血浆透过。滤液（原尿）量大，每天约180（150-200），而排尿量约为1．5-2/天。原尿的成分与尿不同，与血液相似、与组织液相当，无血细胞、大分子蛋白质少。B．终尿（尿）的形成：滤夜（原尿）的加工终尿（尿）中无蛋白质分子，异常时（如肾炎），尿中含蛋白质大分子，原因是肾小球壁挡不住蛋白质大分子，肾小管的重吸收功能丧失。终尿的形成—肾小管、集合管的加工作用重吸收作用滤液中物质再进入血液为重吸收，发生在近曲小管。特点是：（1）主动运输，即耗能（管壁细胞中含有大量线粒体）、耗氧。（2）选择性：回收能力因物质种类而异。葡萄糖、氨基酸、蛋白质、维生素等被全部回收；NaC、K+等被子大部回收；尿素、尿酸、H2PO4-、HPO42-被部分回收，用于调解渗透压；有害物质（NH3、肌酐等）则完全不吸收。但当有限度：高血糖160mg/100m血液时，不能全部重吸收，出现糖尿。分泌和排泄作用部位在远曲小管，主要作用是：（1）调节血液酸碱度：如血液中H+（或HCO3-）进入滤液；（2）调节血液离子平衡：血液中NH4+、K+、H+进入滤液，帮助Na+的重吸收；（3）排泄：代谢废物和产物、药物、毒物。浓缩作用主要在集合管。髓袢的生理特点、作用为集合小管营造高效逆流交换环境。升支对水的通透性很低，管内水量保持不变，大量泵出滤液中的Na+。结果管内滤液中Na+浓度逐渐降低，管外组织液中Na+浓度升高。降支：管外组织液浓度始终大于管内滤液，结果：Na+渗入管内，使管内Na+浓度升高。Na+环流的形成总结如下：降支：Na+渗入Na+浓度升高，在U形转弯处Na+浓度最高；升支：Na+泵出Na+浓度降低，末端浓度最低≤管外组织液；“高中生物颖韬工作室”整理·5·两个Na+浓度（渗透压）梯度的形成，使髓袢内滤液渗透压在髓袢末端达到最低；髓袢外（即集合管外）组织液渗透压也在髓袢末端亦最低，这有利于集合管发挥浓缩作用。集合管的浓缩作用：由于管内滤液浓度低、管外组织液浓度高，水分顺浓度梯度进行扩散，结果管内水分大量渗出，滤液被浓缩，形成终尿。浓缩后，滤液:终尿=180:1．5~2（/天），浓缩100倍。（3）排尿尿的成分：水占96%；含N废物占2．5%，有尿素、少量尿酸、肌酐酸等；盐类占1．5%，如NaC；少量K+、NH3、PO43-、SO42-等。肾结石引起的原因是由于尿酸小结晶可随尿排出，但大结晶在肾、膀胱内结石，阻塞、摩擦、疼痛、炎症。尿量的调节：①水分对尿量的调节血液水分降低时，刺激下丘脑，下丘脑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，重吸收水能力增强，使尿量降低；另一方面，下丘脑将兴奋传递到大脑皮层，引起渴觉，促进饮水。饮水过多时，血液水分增多，刺激下丘脑，使其分泌的抗利尿激素减少，致使尿量减少。②盐分对尿量的调节食入盐分过多，刺激下丘脑，一方面产生抗利尿激素增多，使尿量下降，体液渗透压升高；另下方面，下丘脑将兴奋传递到大脑皮层，引起渴觉，促进饮水，使体液渗透压升高。饮水过多时，盐分浓度降低，下丘脑分泌抗利尿激素减少，使尿量增加，同时排出过多盐分，使体液渗透压下降。（4）糖尿病正常情况：原尿中葡萄糖在近曲小管处被全部重吸收回血液；而糖尿病患者的重吸收能力有限度，当血糖肾阈限（1.5g/），即糖尿。二、体温调节（一）体温与代谢的关系1．体温稳定的重要性：过低使代谢减慢、停止；过高使代谢减慢、停止，甚至蛋白质变性、酶活性丧失，生命停止。2．代谢率与温度的关系：在生命活动范围内，温度每上升10℃，代谢率增加2-3倍。温度对动物的代谢影响极大。（二）变温动物与恒温动物1．变温动物：亦称为外热动物、冷血动物，其特点是对外界温度依赖性很强，体温随外界温度变化。温度过低时，进入冬眠，此时代谢率、一般不能利用代谢热来维持体温、皮肤无保温覆盖物（毛、羽）、无汗腺等调节体温能力。2．恒温动物：亦称内热动物、热血动物。特点与变温动物相反。保持恒温要耗费大量能量，实验证明同一地区的蝾螈（变温动物）和鸟类、小型哺乳类（恒温动物）在增长相同生物量时，变温动物耗能仅为恒温动物的20%。变温动物改变活动量、栖息地等，在一定程度上保持体温。而恒温动物的体温在一度范围内波动，也具有一定的相对性。（三）动物形态结构和生理特点1．隔离和缓冲：隔离将刺激阻挡于体外；缓冲