Основы биохимии - А. А. Анисимов 1986
Водно-солевой обмен
Поддержание концентраций растворенных веществ - важное условие жизни
В самом общем виде живой организм можно описать как водный раствор, заключенный в оболочку — поверхность тела. Объем организма и концентрация растворенных веществ должны сохраняться постоянными в довольно узких пределах, так как для оптимального функционирования организма требуется совершенно определенный и относительно неизменный состав жидкостей тела. Значительные отклонения от нормального состава обычно несовместимы с жизнью. Перед живым организмом стоит задача поддержать надлежащие концентрации растворенных веществ в жидкостях тела, несмотря на то, что они почти всегда отличаются от соответствующих концентраций во внешней среде. Разница концентраций стремится выравняться, нарушая требуемое постоянство внутренней среды. Живые организмы сводят к минимуму возникающие трудности, уменьшая градиенты или проницаемость. Тем не менее всегда происходит некоторая диффузионная утечка, и постоянство внутренней среды не может сохраняться, если организм не создает противоток, в точности равный этой утечке.
Задачи поддержания постоянных концентраций воды и растворенных в ней веществ меняются в зависимости от окружающей среды, и они совершенно различны в морской воде, в пресной воде и на суше. Водных животных, переносящих большие колебания концентраций солей в воде, называют эвригалинными (от греч. эурис — широкий, галос — соль), животных же, обладающих ограниченной толерантностью (терпимостью) к изменениям концентрации солей, — стеногалинными (от греч. стенос — узкий). Когда животное гипертонично по отношению к окружающей среде, оно сталкивается с двумя физиологическими «трудностями»: 1) вода стремится проникнуть внутрь тела из-за более высокой концентрации веществ жидкостей организма; 2) растворенные вещества стремятся выходить наружу, так как их внутренняя концентрация выше. Большую роль в преодолении этих трудностей играют процессы активного транспорта веществ.
Самое большое преимущество жизни на суше состоит в доступности кислорода, наибольшей угрозой для наземной жизни является опасность обезвоживания. Наиболее успешно переход к наземной жизни осуществили членистоногие и позвоночные, они очень хорошо приспособлены к жизни на суше, имеют ряд приспособлений, предотвращающих потерю воды.
Растения тоже обладают рядом защитных приспособлений, оберегающих организм от избыточных концентраций солей, а также активными механизмами поглощения тех ионов, которых мало в питательном субстрате. Корневая система — первый, очень важный барьер на пути солей из почвы в надземную часть растений, здесь задерживается значительная часть избыточных ионов и токсических солей (адсорбционно, хелатирующими метаболитами и т. д.). Однако эти защитные возможности не безграничны: при очень высоком содержании в почве отдельные ионы в избытке поступают и в листья.
По отношению к солям все растения делят на гликофиты (растения пресных мест обитания) и галофиты (растения засоленных местообитаний). Способность растений выносить засоление может быть обусловлена разными причинами: 1) устойчивостью протоплазмы к накоплению солей в больших концентрациях; 2) выделением избыточных солей через поры листьев и стеблей (лох, тамарикс); 3) малой проницаемостью клеток корня для солей.
Особенно острым моментом для растения в поддержании постоянства внутренней среды является водный баланс. Для активного поглощения СО2 воздуха при фотосинтезе у растений в процессе эволюции выработалась обширная площадь листовой поверхности. Но через большую поверхность идет непрерывное испарение воды в громадном количестве. Одно растение кукурузы, например, за вегетацию испаряет до 180 кг воды, а 1 га в Южной Америке испаряет в среднем за сутки около 75 т воды. Тем не менее у растений есть механизмы, позволяющие восполнять эти потери и поддерживать водный баланс.
Способность живого организма к поддержанию постоянства «внутренней среды» — одно из самых существенных достижений эволюции, оно резко уменьшило зависимость организма от многих изменений внешней среды.