Водно-солевой обмен
Водно-солевой обмен — это поступление, распределение и выведение воды и минеральных солей, а также поддержание их относительно постоянного содержания в организме. От этого зависят объём крови, давление, работа клеток, нервной системы и мышц.
Значение воды и солей
Вода составляет в среднем около 60–70% массы тела взрослого человека, но её доля зависит от возраста, пола и количества жировой ткани. У детей воды обычно больше, чем у взрослых. Вода входит в состав клеток и межклеточного вещества, является растворителем и средой для химических реакций, помогает переносить вещества и участвует в терморегуляции.
В организме вода распределена между внутриклеточной жидкостью и внеклеточной жидкостью. К внеклеточной относятся плазма крови и тканевая жидкость. Через стенки капилляров вода и растворённые вещества переходят между кровью и тканями, поэтому состав внутренней среды должен оставаться достаточно стабильным.
Водно-солевой обмен — совокупность процессов поступления, распределения, использования и выведения воды и минеральных солей, обеспечивающих постоянство внутренней среды организма.
Минеральные соли поступают главным образом с пищей и водой. Минеральные соли существуют в виде ионов. Ионы натрия и хлора важны для состава внеклеточной жидкости, калий — для работы клеток и проведения нервного импульса, кальций — для сокращения мышц, свёртывания крови и прочности костей, фосфаты — для костной ткани и энергетического обмена.
| Ион или вещество | Основные функции | Что может нарушиться при недостатке |
|---|---|---|
| Натрий и хлор | Осмотическое давление, объём внеклеточной жидкости, проведение возбуждения | Слабость, нарушение давления и работы нервной системы |
| Калий | Возбудимость клеток, работа мышц и сердца | Мышечная слабость, нарушения ритма сердца |
| Кальций | Кости, мышцы, свёртывание крови | Судороги, хрупкость костей |
| Фосфаты | Кости, АТФ и другие соединения | Нарушение энергетического обмена |
| Вода | Растворитель, транспорт, терморегуляция | Обезвоживание или отёки |
Поступление и выведение воды
Вода поступает с напитками, пищей и образуется в небольшом количестве при окислении органических веществ. Выводится она с мочой, потом, выдыхаемым воздухом и калом. Главный орган, регулирующий объём и состав внутренней среды, — почки. Их работу удобно повторить по странице Функции почек.
При устойчивом состоянии организма количество поступившей воды примерно равно количеству выведенной: \(V_{поступившей}\approx V_{выведенной}\). При положительном балансе вода накапливается, при отрицательном организм теряет воду.
Потребность в воде увеличивается при высокой температуре окружающей среды, физической нагрузке, лихорадке, рвоте и диарее. Потеря около 1–2% воды уже вызывает жажду и снижает работоспособность. Более значительное обезвоживание нарушает кровообращение, терморегуляцию и работу мозга.
Роль почек и гормонов
Почки фильтруют кровь, образуют мочу и изменяют её состав в канальцах. Нужные организму вода, глюкоза, часть ионов и другие вещества возвращаются в кровь благодаря канальцевой реабсорбции. Излишки воды и солей остаются в моче.
При обезвоживании осмотическое давление крови повышается. Рецепторы воспринимают это изменение, а гипоталамус формирует чувство жажды и усиливает выделение антидиуретического гормона. Подробнее общие принципы действия гормонов разобраны на странице Гормоны. Антидиуретический гормон увеличивает проницаемость стенок собирательных трубочек почек для воды. Поэтому вода сильнее возвращается в кровь, а мочи образуется меньше; она становится более концентрированной.
При избытке воды выделение антидиуретического гормона уменьшается. Реабсорбция воды ослабевает, объём мочи возрастает, а её концентрация снижается. Так работает отрицательная обратная связь: изменение показателя запускает ответ, который уменьшает это изменение. Принцип можно сопоставить с материалом Обратная связь.
Баланс натрия и воды также регулирует гормон альдостерон. Он усиливает обратное всасывание ионов натрия в почечных канальцах. Вода следует за натрием, поэтому увеличивается объём крови. При снижении давления активируется ренин-ангиотензин-альдостероновая система. Натрий и вода задерживаются сильнее, а давление поддерживается.
Антидиуретический гормон прежде всего регулирует возврат воды в кровь. Альдостерон усиливает возврат натрия, вслед за которым удерживается вода.
Что произойдёт с мочой при недостатке воды в организме?
Осмотическое давление и отёки
Осмотическое давление зависит от количества растворённых частиц. В крови особенно важны ионы натрия, хлора и другие электролиты. Если концентрация солей снаружи клетки увеличивается, вода выходит из клетки, и она сморщивается. Если раствор становится слишком разбавленным, вода входит в клетку, и она набухает.
В этой формуле \(\pi\) — осмотическое давление, \(i\) — число частиц, образующихся из одной формульной единицы вещества, \(C\) — концентрация, \(R\) — газовая постоянная, \(T\) — абсолютная температура. В школьных задачах чаще сравнивают концентрации растворов качественно, без вычисления \(\pi\).
Отёк — избыточное накопление жидкости в тканях. Он может возникнуть при избытке натрия, нарушении работы сердца или почек, повышении проницаемости сосудов, воспалении или недостатке белков плазмы. Белки удерживают воду в кровеносном русле, поэтому нарушения белкового обмена тоже могут влиять на водный баланс.
Вода перемещается через полупроницаемую мембрану в сторону раствора с большей концентрацией растворённых частиц, пока разность осмотического давления не уменьшится.
Разобранный пример
Человек в жаркую погоду сильно потел и потерял много воды и солей. Объясните, как изменятся концентрация крови, жажда, действие гормонов и мочеотделение.
Сначала определяем последствия потоотделения: организм теряет воду и электролиты. Если воды потеряно относительно больше, чем солей, концентрация растворённых веществ в крови возрастает. Это раздражает осморецепторы и вызывает жажду. Далее усиливается выделение антидиуретического гормона, поэтому почки возвращают больше воды в кровь. Объём мочи уменьшается, а концентрация мочи увеличивается. Потеря натрия дополнительно влияет на объём внеклеточной жидкости, поэтому организм стремится восстановить солевой баланс с пищей и питьём.
Не путайте жажду с голодом: жажда связана прежде всего с водным балансом и осмотическим давлением. Не утверждайте, что при обезвоживании мочи становится больше: обычно она концентрируется и её объём уменьшается. Нельзя считать, что все соли одинаково действуют: натрий, калий и кальций выполняют разные функции. Антидиуретический гормон регулирует главным образом воду, а не непосредственно весь солевой состав.
Как сохраняется равновесие
- Изменение содержания воды или солей меняет объём и осмотическое давление внутренней среды.
- Рецепторы обнаруживают отклонение, а нервная и гормональная системы формируют ответ.
- Почки изменяют реабсорбцию воды и ионов, регулируя состав мочи.
- Жажда и пищевое поведение помогают восполнить воду и минеральные соли.
- После восстановления показателя действие регулирующих механизмов ослабевает.
Проверь себя
Главное
- Вода служит растворителем, транспортной средой и участвует в терморегуляции.
- Минеральные соли существуют в виде ионов и выполняют разные функции: от поддержания осмотического давления до работы мышц и нервной системы.
- Почки регулируют водно-солевой обмен, изменяя реабсорбцию воды и ионов и состав мочи.
- Антидиуретический гормон усиливает возврат воды, а альдостерон — натрия; оба механизма помогают поддерживать постоянство внутренней среды.
- При обезвоживании усиливаются жажда и действие антидиуретического гормона, мочи становится меньше, а её концентрация увеличивается.