กลไกลการรักษาดุลยภาพ

กลไกลการรักษาดุลยภาพ

             การลำเลียงสารผ่านเซลล์เป็นเพียงกิจกรรมหนึ่งของเซลล์เท่านั้น  ยังมีกระบวนการดำรงชีวิตอื่นๆ  อีกที่ดำเนินอยู่ในเซลล์  ในสิ่งมีชีวิตเซลล์เดียวกิจกรรมต่างๆ  นี้จะเกิดขึ้นภายใน 1 เซลล์เท่านั้น  ส่วนสิ่งมีชีวิตที่มีหลายจำนวนมาก  กลุ่มเซลล์ที่มีรูปร่างเหมือนกันและทำหน้าที่อย่างเดียวกันรวมกันเป็น เนื้อเยื่อ (tissue) เช่นเนื้อเยื่อกล้ามเนื้อ กลุ่มเนื้อเยื่อหลายๆ ชนิดประกอบกันเป็น อวัยวะ (organ) ซึ่งทำหน้าที่เฉพาะอย่างในสิ่งมีชีวิตที่ซับซ้อนขึ้น อวัยวะหลายอวัยวะจะทำงานร่วมกันเป็น ระบบอวัยวะ (organ system ) เช่น ระบบหายใจ ดังภาพ 2.10 ระบบประสาท  ระบบหมุนเวียนเลือด  เป็นต้นระบบอวัยวะต่างๆนี้  จะทำงานประสานกันในกระบวนการดำรงชีวิตของสิ่งมีชีวิต


ภาพ 2.10 สิ่งมีชีวิตหลายเซลล์ประกอบด้วยระบบอวัยวะ อวัยวะ เนื้อเยื่อ และเซลล์

             การรักษาสภาวะภายในร่างกายให้สมดุล  อาศัยการทำงานที่สอดประสานกันระหว่างระบบอวัยวะต่างๆเพื่อรักษาดุลยภาพของอุณหภูมิ  น้ำ  และสภาพความเป็นกรด-เบส

             เมแทบอลิซึม (metabolism) คือปฏิกิริยาเคมีต่างๆ ที่เกิดขึ้นภายในเซลล์ของสิ่งมีชีวิต

การรักษาดุลยภาพของสิ่งมีชีวิตต่างๆ มีกลไกลอย่างไร

2.3.1 การรักษาดุลยภาพของน้ำในพืช
             นักเรียนเคยศึกษาเรื่องปากใบของพืชมาแล้วในระดับมัธยมศึกษาตอนต้น  การคายน้ำผ่านปากไปทำให้พืชสูญเสียน้ำ  ดังนั้นเพื่อให้เมแทบอลิซึมภายในเซลล์ดำเนินต่อไปได้ตามปกติ  จึงมีการดูดน้ำเข้าสู่รากพืชเป็นการทดแทน  กลไกสำคัญในการรักษาดุลยภาพของน้ำในพืช  คือการควบคุมระหว่างการคายน้ำผ่านปากใบและการดูดน้ำที่ราก  นักเรียนจะได้ตรวจวัดอัตราการคายน้ำของพืชในกิจกรรม 2.2 
                                        
          ก.ภาพถ่ายผิวใบจากกล้องจุลทรรศน์ เอื้อเฟื้อภาพโดย                                                  ข. ภาพวาดปากใบและเซลล์คุม
             คณะวิทยาศาสตร์ จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย

                                                                     ภาพ 2.11 ปากใบและเซลล์คุม
กิจกรรม2.2 การคายน้ำของพืช
             1.    เสียบปลายข้างหนึ่งของหลอดคะปิลลารีหรือหลอดแก้วรูเล็กที่มีความยาว  40 cm เข้าไปในท่อพลาสติก  แล้วแช่ลงในอ่างน้ำเข้าจนเต็มหลอดคะปิลลารี
             2.    นำกิ่งไม้ที่แช่ในน้ำมาตัด  โคนออกเล็กน้อยการตัดนี้จะต้องทำใต้ผิวน้ำ  เพื่อมิให้มีฟองอากาศเกิดขึ้นในกิ่งไม้
             3.    เสียบกิ่งไม้กับท่อพลาสติกขณะที่อยู่ในน้า  โดยเลือกขนาดของกิ่งไม้ให้กระชับพอดีกับท่อพลาสติก  เพื่อไม่ให้อากาศเข้าไปได้  ควรทาบริเวณรอยต่อไปนี้ด้วยวาสลินเพื่อกันการรั่ว
             4.    ยกหลอดคะปิลลารีขึ้นจากน้ำ  ใช้กระดาษเยื่อซับน้ำจากปลกยออกเล็กน้อยเพื่อให้มีฟองอากาศเกิดขึ้น  แล้วจุ่มปลายหลอดลงในอ่างน้ำหรือบีกเกอร์ที่บรรจุน้ำสี
             5.    หนีบหลอดคะปิลลารีให้ติดกับไม้บรรทัดเครื่องมือที่เตรียมเสร็จแล้วเป็นชุดโพโตมิเตอร์อย่างง่าย  มีลักษณะดังภาพ


โพโตมิเตอร์อย่างง่าย

             6.    ตั้งเครื่องมือไว้ในห้องปฏิบัติการตรงที่ได้รับแสงแดด  วัดระยะที่น้ำสีหรือฟองอากาศเคลื่อนที่ไป  จากจุดเริ่มต้นทุกๆ 1 นาที อย่างน้อย 15 นาที
             7.    นำข้อมูลการเคลื่อนที่ของน้ำมาเขียนกราฟ
                      -นักเรียนทราบได้อย่างไรว่าพืชมีการคายน้ำ
                      -การคายน้ำเกี่ยวข้องการลำเลียงน้ำในลำต้นพืชหรือไม่  เพราะเหตุใด
                      -ปัจจัยใดบ้างที่อาจมีผลต่ออัตราคายน้ำของพืช และพืชต่างชนิดกันจะมีอัตราการคายน้ำต่างกันหรือไม่อย่างไร
             8.    ออกแบบการทดลองเพื่อตรวจสอบปัจจัยอื่นๆ  ที่มีผลต่อการคายน้ำ  ทำการทดลองแล้วนำเสนอผลการทดลอง

             จากกิจกรรม  นักเรียนจะเห็นว่าพืชมีการคายน้ำไอน้ำระเหยออกจากใบผ่านทางปากใบซึ่งเปรียบเสมือน ประตูที่ควบคุมปริมาณน้ำภายในพืช  การเปิด-ปิดของปากใบขึ้นอยู่กับปัจจัยหลายอย่าง  เช่น  ความเข้มแสงและความชื้น  เป็นต้น  โดยทั่วไปเมื่ออัตราการคายน้ำเร็วกว่าการดูดน้ำเข้าสู่พืช โดยทั่วไปเมื่ออัตราการคายน้ำเร็วกว่าการดูดน้ำเข้าสู่พืช  ปากใบจะแคบหรือปิดลงเพื่อรักษาปริมาณน้ำในพืชเอาไว้ การควบคุมอัตราการคายน้ำโดยการเปิด-ปิดปากใบช่วยรักษาดุลยภาพของน้ำ  สภาวะภายในของพืชจึงมีความชุ่มชื้นในระดับที่พอเหมาะอยู่เสมอ

                 การที่พืชทะเลทรายบางชนิดไม่มีใบหรือใบขนาดเล็ก  จำนวนน้อย  หรือมีหนาม  มีประโยชน์ต่อพืชอย่างไรบ้าง
                 นักเรียนจะนำความรู้เกี่ยวกับการรักษาดุลยภาพของน้ำในพืช  มาใช้ประโยชน์ในชีวิตประจำวันอย่างไรบ้าง

กลไกลการักษาดุลยภาพของน้ำในร่างกายของคนและสัตว์เหมือนกับในพืชหรือไม่
2.3.2 การรักษาดุลยภาพของน้ำและสารต่างๆในร่างกาย
             ในร่างกายคนมีน้ำอยู่ประมาณ 65% - 70% ซึ่งร่างกายจะต้องรักษาดุลภาพภาพนี้ไว้ การรักษาดุลยภาพของน้ำในร่างกายทำได้โดยการควบคุมปริมาณน้ำที่รับเข้าและที่ขับออกจากร่างกาย ซึ่งมีช่องทางและผ่านกระบวนการต่างๆ ดังภาพ 2.12


ภาพ 2.12 ปริมาณน้ำเฉลี่ยที่รับเข้าและขับออกจากร่างกายของผู้ใหญ่ใน 1 วัน

                 ถ้าปริมาณน้ำที่รับเข้าและขับออกไม่สมดุลกัน นักเรียนคิดว่าจะเกิดปัญหาแก่ร่างกายอย่าไรบ้าง

             ในของเหลวที่ร่างกายรับเข้าและที่ขับออกมานั้น  นอกจากจะประกอบด้วยน้ำเป็นส่วนใหญ่  ยังมีเกลือแร่และสารต่างๆ อยู่ด้วย แม้ว่าสารเหล่านี้จะมีปริมาณน้อยนิดเมื่อเทียบกับปริมาณของน้ำ  แต่ก็มีความสำคัญอย่างยิ่ง  และร่างกายต้องรักษาดุลยของสารต่างๆ  ดังกล่าวไว้ให้ได้เพื่อให้ระบบต่างๆ  ทำงานได้อย่างปกติอวัยวะสำคัญในการรักษาดุลยภาพของน้ำและสารต่างๆในร่างกายคือไต  ซึ่งมีโครงสร้างและการทำงานร่วมกับอวัยวะอื่น  ดังภาพ 2.13


ภาพ 2.13 หน้าที่และอวัยวะต่างๆ ที่เกี่ยวข้องกับถ่ายปัสสาวะ

             ภายในเนื้อไตแต่ละข้างประกอบด้วยหน่วยย่อยที่เรียกว่าหน่วยไตจำนวนถึงราว 1 ล้านหน่วยหน่วยไตมีลักษณะเป็นท่อเล็กๆ พันรอบด้วยหลอดเลือดฝอย ดังภาพ 2.14


ภาพ 2.14 ตำแหน่งของหน่วยไต

             เลือดเข้าสู้ไตผ่านทางหลอดเลือกเข้าไต  ซึ่งแตกแขนงเป็นกลุ่มของหลอดเลือดฝอยเรียกว่า โกลเมอรูลัส ( glomerulus ) ดังแสดงในภาพ 2.15 เมื่อเลือดไหลเวียนมาจนถึงโกลเมอรูลัส น้ำเลือดและโมเลกุลของสารต่างที่อยู่ในน้ำเลือดจะออกจากโกลเมอรูลัส  แล้วผ่านรูเล็กๆเข้าสู่ท่อหน่วยไต  ส่วนเซลล์เม็ดเลือกและอนุภาคที่มีขนาดใหญ่จะไม่ออกจากหลอดเลือดฝอย


ภาพ 2.15 โครงสร้างของหน่วยไต

             ของเหลวที่ผ่านเข้าสู่ท่อหน่วยไตส่วนหนึ่งจะถูกดูดซึมกลับสู่หลอดเลือด  ส่วนที่ไม่ถูกดูดซึมกลับจะไหลผ่านท่อหน่อยไตไปยังท่อปัสสาวะ  ตาราง 2.1 แสดงชนิดและปริมาณของสารที่ร่างกายดูดกลับคืนกลับคืน และสารที่สะสมในปัสสาวะ

ตาราง 2.1 การเปรียบเทียบปริมาณของสารต่างๆ ในน้ำเลือด ในของเหลวทีไต และในปัสสาวะ

สาร ในน้ำเลือด
(g/100cm3)
ในของเหลวที่ไต
(g/100cm3)

ในปัสสาวะ
(g/100cm3)

น้ำ
โปรตีน
ยูเรีย
กรดยูริก
กลูโคส
กรดอะมิโน
ไอออนต่างๆ เช่น   Na+,Cl-
90
8
0.03
0.004
0.1
0.05
0.9
90
0
0.03
0.004
0.1
0.05
0.9
95
0
1.8
0.05
0
0
<0.9-3.6

ที่มา   -    Green, N.P.O., G.W.,  Taylor,  D.J. and  Soper,  R.,  Ed.  Biological  Science 2: Systems,  Maintenanca  and  Change    2nd  ed.London:  Cambridge  University  Press,  1990 .718.
          -    เว็บไซต์  http://users.rcn.com/jkimball.ma.ultranet/BiologyPagrs/K/Kidney.html  ( 7 พ.ย. 46)

             จากตารางนักเรียนบอกได้หรือไม่ว่าในแต่ละวันร่างกายของคนกำจัดสารใดออกจากร่างกาย
             สารใดบ้างที่ท่อหน่วยไตดูดกลับ ความเข้มข้นของสารต่างๆ  ในน้ำเลือดและในปัสสาวะที่มีค่าที่เสมอหรือไม่

             ในกระบวนการดูดกลับที่ท่อหน่วยไต  น้ำและโมเลกุลของสารที่ร่างกายต้องการเช่น กลูโคส และโมเลกุลของสารที่ร่างกายต้องการ  เช่น  กลูโคส   และกรดอะมิโน  จะลำเลียงผ่านเซลล์ท่อหน่วยไตกลับเข้าสู่หลอดเลือดฝอย  โดยการแพร่  การออสโมซิส  และการลำเลียงแบบใช้พลังงาน

             ในทำนองเดียวกัน  ของเสียจากกระบวนการเมแทบอลิซึม  เช่น ยูเรีย  รวมทั้งสารที่ร่างกายมีมากเกินความจำเป็นและต้องขับออก  เช่น  โซเดียมไอออนและคลอไรด์ไอออน  จะกลับเข้าสู่กระแสเลือดในปริมาณน้อยมาก  โดยจะลำเลียงออกโตไปพร้อมกับปัสสาวะเข้าสู่กระเพาะปัสสาวะ  นักเรียนเห็นว่าปริมาณการดูดน้ำกลับที่ท่อหน่วยไตมีความสำคัญต่อการรักษาดุลยภาพของน้ำในร่างกาย  อีกทั้งยังเป็นการควบคุมความเข้มข้นของสารหลายชนิดในเลือด


             ไฮโพทาลามัส  อยู่ทางด้านล่างของสมองส่วนหน้า  ที่ยื่นมาติดต่อมใต้สมองบริเวณนี้ ส่วนมากทำหน้าที่สร้างฮอร์โมนของต่อมใต้สมอง  ไฮโพทาลามัสมีหน้าที่เป็นศูนย์ควบคุมอุณหภูมิของร่างกาย  การนอนหลับ  การเต้นของหัวใจ  ความดันเลือด  ความหิว  ความอิ่ม  การดูดน้ำกลับของร่างกาย และเป็นศูนย์ควบคุมอารมณ์ความรู้สึกต่างๆ

             สมองส่วนไฮโพทาลามัสควบคุมสมดุลของปริมาณน้ำในเลือกถ้าร่างกายขาดน้ำจะทำให้ความดันเลือดลดลงและเลือกเข้มข้นกว่าปกติ  การเปลี่ยนแปลงเช่นส่งผลให้กระแสประสาทจากสมองส่วนไฮโพทาลามัสไปกระตุ้นปลายประสาทของต่อมใต้สมองส่วนท้ายให้หลั่งฮอร์โมนแอนติไดยูเรติก ( antidiuretic hormone ) หรือ ADH เข้าสู่กระแสเลือด

             ADH ทำหน้าที่กระตุ้นท่อหน่วยไตให้ดูดน้ำกลับสู่หลอดเลือด ทำให้น้ำในเลือดสูงขึ้นและความรู้สึกกระหายน้ำลดลง ถ้าเลือดเจือจางไฮโพทาลามัสจะยับยั้งการหลั่ง ADH ทำให้การดูดน้ำกลับคืนมีน้อย ปริมาณน้ำในร่างกายจึงมีภาวะสมดุล


             ADH เรียกอีกชื่อหนึ่งว่า วาโซเปรสซิน

ภาพ 2.16 กลไกควบคุมการหลั่ง ADH

              เหตุใดเราจึงดูสึกกระหายน้ำ
              การดูดน้ำกลับคืนของเซลล์ท่อหน่วยไต  มีผลต่อความดันเลือกและความเข้มข้นของเลือดอย่างไร  และการเปลี่ยนแปลงนี้มีผลต่อการหลั่ง ADH อย่างไร

กิจกรรม 2.3 สืบค้นข้อมูลเกี่ยวกับไต
             สืบค้นข้อมูลเกี่ยวกับสาเหตุและอาการของโรคเกี่ยวกับไต ไตเทียม  รวมทั้งวิธีปฏิบัติตนเพื่อหลีกเลี่ยงโรคไต

             นักเรียนคงเห็นแล้วว่า  ไตมีความสำคัญต่อการรักษาดุลยภาพของสารในร่างกาย  ถ้าไตไม่ทำงานจะมีของเสียสะสมในเลือด  เมื่อเลือดไหลไปหล่อเลี้ยงเซลล์ต่างๆ  ของร่างกายมีของเสียสะสมอยู่มาก  ก็จะมีผลให้การทำงานของเซลล์ผิดไปจากปกติ

             นอกจากนี้ร่างกายจะต้องรักษาดุลยภาพของน้ำแล้วจะต้องรักษาดุลยภาพของกรด-เบสอีกด้วย ดังจะได้ศึกษาต่อไป

2.2.3 การักษาดุลยภาพของกรด-เบสในร่างกาย
             ปฏิกิริยาเคมีเกือบทั้งหมดที่เกิดขึ้นในร่างกายของเราถูกควบคุมโดยเอนไซม์โดยเอนไซม์แต่ละชนิดจะทำงานได้ในสภาวะแวดล้อมที่ต่างกัน  จากการศึกษาอัตราจากการทำงานของเอนไซม์ชนิดหนึ่งของร่างกายพบว่าระดับความเป็นกรด-เบสมีผลต่อการทำงานของเอนไซม์ดังภาพ 2.17


ภาพ 2.17 กราฟแสดงอัตราการทำงานของเอนไซม์ชนิดหนึ่งที่มีค่า pH ต่างๆ

                 จากภาพ 2.17 ให้นักเรียนอธิบายอัตราการทำงานของเอนไซม์นี้ที่ pH ต่างๆ
                 ถ้าประสิทธิภาพการทำงานของเอนไซม์ต่ำจะมีผลอย่างไร
                 ร่างกายจะรักษาระดับกรด-เบส   ให้เหมาะสมได้อย่างไร

             จากกราฟ  นักเรียนคงเห็นแล้วว่าประสิทธิภาพในการทำงานของเอนไซม์จะสูงในค่า pH ที่เหมาะสมช่วงหนึ่ง  จะดีมากในช่วง pH ใกล้เคียงกับ 7 กับค่า pH สูงหรือต่ำเกินไป ประสิทธิของเอนไซม์จะลดลง อย่างไรก็ตามระดับ pH ที่เหมาะสมสำหรับการทำงานของเอนไซม์แต่ละชนิดมีค่าแตกต่างกัน  ดังนั้นเนื้อเยื่อที่เป็นแหล่งสร้างหรือเป็นแหล่งที่เอกไซม์ต่างๆ ทำงาน จึงต้องมีการรักษาดุลยภาพของกรด-เบสให้สอดคล้องกับชนิดของเอนไซม์นั้นๆ  ตัวอย่างของการรักษาดุลยภาพของกรด-เบสในร่างกาย   คือกลไกการรักษาดุลยภาพของกรด-เบสในเลือด  ซึ่งมีกลไกการทำงานดังนี้

             ร่างกายรักษาดุลยภาพของกรด-เบสในเลือดโดยการรักษาดุลยภาพของโฮโดรเจนไอออน ( H+ ) ที่เกินจากกระบวนการแทบอลิซึม กระบวนการหลังที่ส่งผลต่อระดับ   H+ในเลือกคือกระบวนการหายใจระดับเซลล์ซึ่งมีแก๊สคาร์บอนไดออกไซม์เป็นผลผลิตหนึ่ง  แก๊สคาร์บอนไซม์ที่เกิดขึ้นไม่ได้อยู่อิสระ  แต่จะรวมตัวกับน้ำในน้ำเลือดหรือในเซลล์เม็ดเลือดแดงเกิดเป็นกรดคาร์บอนิก ( H2CO3)  ซึ่งเมื่อแตกตัว  จะได้  H+ไฮโดรเจนคาร์บอเนตไอออน (HCO-3)  ดังสมการหากร่างกายมีระดับเมแทบอลิซึมสูงจะมีแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์เกิดขึ้นมาก  ซึ่งจะส่งผลให้ระดับ  H+ ในเลือดสูงขึ้นด้วย

                 จากสมการให้นักเรียนอธิบายการเปลี่ยนแปลงค่า  pH ของเลือด  เมื่อแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์แพร่ออกจากเลือดที่ถุงลมในปอด
                 ถ้า   H+ ในเลือดเข้มข้นเกินไป  ร่างกายมีวิธีการใดบ้างในการปรับปรุงให้กลับสู่ดุลยภาพ

             ไตมีบทบาทสำคัญในการรักษาความเป็นกรด-เบสของเลือด  เมื่อ pH ของเลือดต่ำเกินไป  หน่วยไตจะขับสารที่มีส่วนประกอบของ  H+ และแอมโมเนียมไอออน  (NH+4)  ออกจากเลือด  และในขณะเดียวกันก็จะเพิ่มการดูดกลับไอออนบางประเภท  ซึ่งลดความเป็นกรดของเลือด  ได้แก่  โซเดียมไอออน  ( Na+)  และไฮโดรเจนคาร์บอเนตไอออน  ส่วนเมื่อ pH ของเลือดสูงเกินไปจะเกิดกระบวนการตรงข้าม

                 เหตุใดจึงต้องรักษาสมดุลของความเป็นกรด-เบสของเลือด

             โดยทั่วไปสารต่างๆ  ในร่างกายคนปกติจะมีค่าความเข้มข้นอยู่ช่วงหนึ่ง  อันเป็นประจักษ์พยานที่ดีว่าร่างกายมีการรักษาดุลภาพของน้ำและแร่ธาตุให้อยู่ในช่วงที่เหมาะสม  เมื่อสารละลายในเลือดหรือปัสสาวะมีค่าเบี่ยงเบนไปจากปกติ  ซึ่งทราบได้จากการตรวจเลือดและปัสสาวะ  จะเป็นสัญญาณเตือนว่า  อวัยวะภายในร่างกายทำงานบกพร่องอย่างไรก็ตาม  การตรวจเลือดและการตรวจปัสสาวะเป็นเพียงการวินิจฉัยเบื้องต้น  เมื่อพบความผิดปกติ   ต้องการตรวจเพิ่มเติมเพื่อหาสาเหตุว่าความผิดปกติต้องทำการตรวจสอบเพิ่มเติมเพื่อหาสาเหตุความผิดปกติที่พบมีสาเหตุมาจากความบกพร่องในส่วนใดของร่างกายหรือไม่  อย่างไร
    นักเรียนได้เรียนรู้กลไกการรักษาดุลยภาพของน้ำและความเป้นกรด-เบส ในร่างกายคนมาแล้ว  สิ่งมีชีวิตอื่นๆ  มีกลไกในการรักษาดุลยภาพของน้ำ  แร่ธาตุ  และสารต่างๆ  อย่างไร  นักเรียนจะได้ศึกษาต่อไป

2.3.4 การรักษาดุลยภาพของน้ำและแร่ธาตุในสิ่งมีชีวิตอื่นๆ
             สิ่งมีชีวิตแต่ละชนิดมีวิธีรักษาดุลยภาพของน้ำในเซลล์และในร่างกายแตกต่างกันไป  สิ่งมีชีวิตเซลล์เดียวที่อาศัยอยู่ในน้ำ  เช่น  อะมีบา  หรือพารามีเซียม  มีโครงสร้างภายในเซลล์ที่เรียกว่า  คอมแทร็กไทล์แวคิวโอล (contractile vacuole) ดัง 2.18 ทำหน้าที่กำจัดน้ำและของเสียออกจากเซลล์ เพื่อรักษาระดับความเข้มข้นส่วนเกินภายในเซลล์และป้องกันไม่ให้เซลล์แตก โดยน้ำส่วนเกินภายในเซลล์ถูกรวบรวมมาอยู่ในคอมแทร็กไทล์แวคิวโอล หลังจากนั้นออร์แกเนลล์นี้จะเคลื่อนที่ไปชิดเยื่อหุ้มเซลล์ เพื่อปล่อยน้ำออกสู่ภานนอก ของเสียจากกระบวนการเมแทบอลิดซึมก็จะถูกกำจัดออกเซลล์ไปพร้อมกัน


ภาพ 2.18 คอมแทร็กไทล์แวคิวโอลของพารามีเซียม

             สำหรับสัตว์น้ำ เช่น ปลา  น้ำแร่ธาตุต่างๆจะเคลื่อนที่เข้าออกระหว่างเซลล์กับสิ่งแวดล้อมตลอดเวลาทั้งนี้ขึ้นอยู่กับความเข้มข้นของสารละลายในร่างกายกับในสิ่งแวดล้อม

             ในกรณีปลาน้ำจืด  ของเหลวในร่างกายมีความเข้มข้นสูงกว่าน้ำที่อยู่รอบๆ  น้ำจึงเข้าสู่ร่างกายด้วยกระบวนการออสโมซิส  โดยเข้าสู่เซลล์บริเวณเหงือกของปลา  แต่น้ำไม่สามารถผ่านเข้าผิวหนังหรือเกล็ดปลาได้  และเมื่อปลากินอาหาร  น้ำก็จะผ่านเข้าสู่ร่างกายทางปากพร้อมกับอาหารด้วย  ปลาน้ำจืดจึงขับถ่ายปัสสาวะบ่อย  และปัสสาวะค่อนข้างเจือจางนอกจากนั้น  แร่ธาตุในร่างกายอาจสูญเสียไปบ้างทางเหงือก  แต่ในขณะเดียวกันในบริเวณเหงือกมีเซลล์พิเศษคอยดูดซึมแร่ธาตุที่จำเป็นกลับคืนเข้าสู่ร่างกาย  ด้วยวิธีการลำเลียงแบบใช้พลังงาน


ภาพ 2.19 การควบคุมสมดุลของน้ำและแร่ธาตุในปลา 

                 นักเรียนคิดว่าปลาน้ำจืดจำเป็นต้องได้รับน้ำเข้าสู่ร่างกายบ้างหรือไม่เพราะเหตุใด

             ปลาทะเลอาศัยอยู่ในน้ำเค็ม  มีแรงดันออสโมติกของของเหลวในร่างกายต่ำกว่าน้ำทะเลที่อยู่โดยรอบกระบวนควบคุมระดับน้ำในร่างกายจึงตรงข้ามกับปลาน้ำจืด  กล่าวคือ ผิวหนังและเกล็ดของปลาทะเลทำหน้าที่ป้องกันไม่ให้แร่ธาตุจากน้ำทะเลซึมเข้าสู่ร่างกายและที่เหงือกยังมีกลุ่มเซลล์ซึ่งขับแร่ธาตุส่วนเกินออกโดยวิธีการลำเลียงแบบใช้พลังงาน  ปลากน้ำเค็มจะปัสสาวะมีความเข้มข้นสูง  ส่วนแร่ธาตุที่เข้าสู่ร่างกายในปริมาณมากพร้อมกับอาหาร  จะผ่านทางเดินอาหารไป  และจะถูกจัดออกทางทวารหนักในที่สุด  โดยแทบไม่มีการดูดซึมเข้าสู่เซลล์

             สำหรับสัตว์ทะเลอื่นๆ  เช่น  เต่าทะเล  และนกทะเล  กินอาหารจากทะเล  ทำให้ปริมาณเกลือในร่างกายมากเกินความจำเป็น  แต่สัตว์เหล่านี้มีอวัยวะพิเศษสำหรับขับเกลือที่มากเกินออกจากร่างกายในรูปน้ำเกลือเข้มข้นอวัยวะดังกล่าวมักพบอยู่บริเวณส่วนหัว เช่น ต่อมนาซัลและรูจมูกของทะเล  ดังภาพ


ภาพ 2.20 ต่อมนาซัลของนกทะเล

2.3.5 การรักษาดุลยภาพของอุณหภูมิภายในร่างกาย
             นักเรียนเคยศึกษามาแล้วว่า  การทำงานของเอนไซม์แต่ละชนิดขึ้นอยู่กับสภาพความเป็นกรด-เบสอุณหภูมิในร่างกายมีผลต่อการทำงานของเอนไซม์หรือไม่  อย่างไร  นักเรียนสามารถศึกษาได้จากกราฟในภาพ  2.21


2.21 กราฟแสดงอัตราการทำงานของเอนไซม์อะไมเลสที่อุณหภูมิต่างๆ

                 อุณหภูมิที่พอเหมาะกับการทำงานของเอนไซม์ชนิดนี้คือเท่าใด
                 การเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ  มีผลต่อการทำงานของเอนไซม์หรือไม่  อย่างไร
                 เหตุใดจึงต้องพยายามรักษาอุณหภูมิในร่างกายให้คงที่อยู่เสมอ

             อุณหภูมิปกติของร่างกายอยู่ระหว่าง  35.8 - 37.7 องศาเซลเซียส เมื่อใดที่อุณหภูมิร่างกายต่ำกว่า 34 องศาเซลเซียสหรือสูงกว่า 40 องศาเซลเซียสเป็นเวลานานจะทำให้กระบวนการต่างๆ ของร่างกายไม่สามารถทำงานได้ตามปกติ ซึ่งอาจเป็นอันตรายได้ จึงต้องมีกลไกที่จะควบคุมอุณหภูมิภายในร่างกายให้อยู่ในช่วงที่เหมาะสม

                 ร่างกายเรามีวิธีรักษาอุณหภูมิให้คงได้อย่างไร
                 เหตุใดเมื่อเรารู้สึกร้อนจึงกระหายน้ำและมีสารใดอีกบ้างนอกจากน้ำที่ร่างกายต้องการ

             นักเรียนเคยสังเกตหรือไม่  เมื่ออยู่กลางแดดนานๆหรือเล่นกีฬากลางแจ้งในวันแดดจัด  หน้าจะแดงและมีเหงื่อออก  แต่ถ้าเย็นมากๆมือจะเหี่ยวซีดและมีอาการขนลุก  การเปลี่ยนแปลงเช่นนี้ เนื่องมาจากอะไร  นักเรียนสามารถศึกษากลไกการควบคุมอุณหภูมิของร่างกายได้ภาพ  2.22


ภาพ 2.22 แผนภาพแสดงกลไกการรักษาดุลยภาพของอุณหภูมิในร่างกาย


             เมื่อร่างกายได้รับความร้อนจากสิ่งแวดล้อม  จนทำให้อุณหภูมิที่ผิวหนังกับอุณหภูมิของเลือดสูงกว่าปกติศูนย์ควบคุมอุณหภูมิของร่างกายที่สมองส่วนไฮโพทาลามัสจะกระตุ้นให้เกอดกระบวนการต่างๆ  เพื่อปรับอุณหภูมิของร่างกายให้กลับเป็นปกติ  มีการลดอัตราเมแทบอลิซึมลดความการเผาผลาญอาหารในเซลล์ตับและเซลล์ไขมันหลอดเลือกฝอยบริเวณผิวหนังจะขยายตัว   เพื่อช่วยถ่ายเทความร้อนในร่างการสู่สิ่งแวดล้อม  มีการกระตุ้นการทำงานของต่อมเหงื่อให้ขับเหงื่อเพิ่มขึ้นกล้ามเนื้อที่ยึดโคนเส้นขนในผิวหนังจะคลายตัว  เราจึงเห็นขนเอนราบติดผิวหนัง  ช่วยให้อากาศไหลเวียนบริเวณผิวหนังได้ดีขึ้นความร้อนจึงถ่ายเทสู่สิ่งแวดบ้องได้มากขึ้น


ภาพ 2.23 ส่วนประกอบของผิวหนังที่มีบทบาทในการับรักษาดุลยภาพของอุณหภูมิร่างกาย

             ในทางกลับกัน  หากร่างกายสูญเสียความร้อนให้กับสิ่งแวดล้อมจนอุณหภูมิของร่างกายต่ำกว่าปกติศูนย์ควบคุมที่สมองส่วนไฮโพทามัสก็จะกระตุ้นให้อัตราเมแทบอลิซึมสูงขึ้น  ทำให้พลังงานความร้อนที่เกิดจากกระบวนการเคมีในเซลล์ถ่ายเทผ่านเลือดไปทั่วร่างกายมีการกระตุ้นให้หลอดเลือดฝอยบริเวณผิวหนังหดตัวทำให้เลือดไหลเวียนไปยังผิวหนังน้อยลง  หากอุณหภูมิต่ำมากๆผิวหนังอาจซีดขาว  มีการลดการทำงานต่อมเหงื่อและลดการขับเหงื่อ  กล้ามเนื้อที่ยึดโคนเส้นขนหดตัวดึงให้ขนลุก  การที่ขนลุกจะช่วยกั้นอากาศไว้  เป็นการลดอัตราการถ่ายเทความร้อนจากร่างกายสู่อากาศที่อยู่รอบการเปลี่ยนแปลงที่กล่าวมาทั้งหมดนี้  เป็นไปเพื่อปรับอุณหภูมิของร่างกายให้กลับเป็นปกติ

                 กลไกการาควบคุมอุณหภูมิของร่างกายมีความสัมพันธ์กับการทำงานของอวัยวะใดบ้าง  อย่างไร
                 ผิวหนังมีความสำคัญต่อการควบคุมอุณหภูมิของร่างกายอย่างไร

             จากที่กล่าวมาจะเห็นว่า  การที่ร่างกายสามารถควบคุมอุณหภูมิให้คงที่ได้นั้น  เป็นผลจากการมีระบบควบคุมที่ประกอบด้วย หน่วยรับรู้อุณหภูมิ ที่อยู่ตามส่วนต่างๆ ของร่างกาย ทำหน้าที่รับรู้การเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิและส่งสัญญาณต่อไปยังสมองส่วนไฮโพทามัส ซึ่งทำหน้าที่เป็น ศูนย์ควบคุม  คอยรับข้อมูลจากหน่วยรับรู้อุณหภูมิจากนั้นศูนย์ควบคุมจึงมีคำสั่งไปยัง อวัยวะทำงาน ซึ่งได้แก่กล้ามเนื้อยึดกระดูก เซลล์ไขมัน ต่อมเหงื่อ หลอดเลือดพฤติกรรม เพื่อเพิ่มหรือลดความร้อนในร่างกาย ทำให้อุณหภูมิของร่างกายกลับสู่สภาวะปกติ

กิจกรรม 2.5 เทอร์มอสแตทในร่างกาย

              ให้นักเรียนค้นคว้าข้อมูลเกี่ยวกับการทำงานของเทอร์มอสแตทในเครื่องใช้ไฟฟ้า  เพื่อนำมาอธิบายและเปรียบเทียบกับกลไกการควบคุมอุณหภูมิของร่างกาย  การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิสิ่งแวดล้อมมีผลอย่างไรต่ออุณหภูมิร่างกายของสัตว์ชนิดต่างๆ  นักเรียนจะศึกษาได้จากกราฟภาพ 2.24


ภาพ 2.24 กราฟแสดงความสัมพันธ์ระหว่างอุณหภูมิภายนอกและภายในร่างกายสัตว์มีกระดูกสันหลัง  3 ชนิด

                 เมื่ออุณหภูมิสิ่งแวดล้อมเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิร่างกายคน  แมว  และ กิ้งก่า เปลี่ยนแปลงอย่างไร

             สัตว์บางชนิดสามารถรักษาอุณหภูมิภายของร่างกายไว้ได้เกือบคงที่แม้ว่าจะดำรงชีวิตอยู่ในสิ่งแวดล้อมที่มีอุณหภูมิต่ำกว่าหรือสูงกว่าอุณหภูมิภายในร่างกาย  เรียกสัตว์ประเภทนี้ว่า  สัตว์เลือดอุ่น ไดแก่ นก แมว และสุนัข เป็นต้น ส่วนสัตว์ที่ไม่กลไกในการรักษาอุณหภูมิร่างกายจะแปรผันตามอุณหภูมิของสิ่งแวดล้อม เรียกสัตว์ประเภทนี้ว่า สัตว์เลือดเย็น เช่น ปลา กบ และ จระเข้ เป็นต้น

                 นักเรียนคิดว่าการที่สัตว์เลือดอุ่นมีอุณหภูมิภายในร่างกายค่อนข้างคงที่มีประโยชน์อย่างไรบ้าง

             ถึงแม้ว่าสัตว์เลือดอุ่นทุกชนิด  จะสามารถรักษาอุณหภูมิภายในร่างกายให้อยู่ในช่วงคงที่ได้เหมือนกัน แต่สัตว์แต่ละชนิดก็มีวิธีระบายความร้อนและป้องกันการสูญเสียความร้อนของร่างกายที่แตกต่างหลากหลายซึ่งนักเรียนจะศึกษาได้จากตัวอย่างไรต่อไปนี้


ขณะที่อากาศร้อนจัด  เรามักเห็นควายลงไปแช่อยู่ในปลัก  นักเรียนคิดว่าการแช่ปลักมีผงดีต่อควายอย่างไร


นักเรียนบอกได้หรือหรือไม่ว่า  เหตุใดแนวน้ำและสิงโตทะเล  จึงอาศัยอยู่ในเขตอากาศหนาวจัดได้


สุนัขที่อาศัยในแถบหนาวจะมีขนยาวกว่าสุนัขที่อาศัยอยู่ในแถบศูนย์สูตร  ในสภาพอากาศร้อน  สุนัขมีวิธีระบายความร้อนอย่างไร


นักเรียนคิดว่าการที่ช้างใช้งวงสูบน้ำและพ่นใส่ร่างกาย  มีประโยชน์ต่อการรักษาอุณหภูมิภายในร่างกายหรือไม่  อย่างไร

กิจกรรม 2.6 การรักษาอุณหภูมิในร่างกายของสัตว์เขตร้อนและเขตหนาว

             ให้นักเรียนสืบค้นข้อมูลเกี่ยวกับการระบายความร้อนของสัตว์ในเขตร้อน  และการป้องกันการสูญเสียความร้อนในเขตที่มีอากาศหนาวจัด

             นักเรียนได้เรียนรู้ในบทนี้ว่า กลไกในการรักษาดุลยภาพในร่างกายประกอบด้วย หน่วยรับรู้ศูนย์ควบคุม และอวัยวะทำงาน ทั้งหมดทำหน้าที่สอดประสานกัน ความมหัศจรรย์ของธรรมชาติอยู่ที่ความจำเพาะของกระบวนการต่างๆ ที่กระตุ้นและยับยั้งการทำงานของระบบอวัยวะภายในร่างกายได้ย่างเหมาะสมกับการเปลี่ยนแปลงของสภาพแวดล้อม ทำให้ร่างกายรักษาดุลยภาพและดำรงชีพได้เป็นปกติ

คำถามท้ายบท

1.    ศึกษาแผนภาพแสดงโครงสร้างของเซลล์สิ่งมีชีวิตชนิดหนึ่งแล้วตอบคำถาม
             -    เซลล์นี้เป็นเซลล์พืชหรือเซลล์สัตว์  ทราบได้อย่างไร
             -    ออร์แกเนลล์ใดเป็นแหล่งผลิตสารที่ให้พลังงานสูงแก่เซลล์
             -    หมายเลขใดควบคุมการลำเลียงสารผ่านเข้าออกจากเซลล์

2.    น้ำ กลูโคส  และโปรตีนเข้าสู่เซลล์ด้วยวิธีการใด  และในสถานการณ์ใด
3.    สาหร่ายไฟเป็นสาหร่ายเซลล์เดียวที่เซลล์ต่อกันเป็นสายยาว  จากการศึกษาความเข้มข้นของไอออนธาตุต่างๆ  ในสารละลายแวคิวโอลของสาหร่ายไฟที่อยู่ในสระน้ำจืด  และความเข้มข้นของไอออนในน้ำในสระ  ได้ข้อมูลดังตาราง จากข้อมูลนี้ สาหร่ายไฟมีการลำเลียงไอออนของธาตุต่างๆ เข้าสู่เซลล์โดยกระบวนการใด

4.    โกงกางเป็นพืชที่ขึ้นอยู่ในบริเวณน้ำกร่อย  นักเรียนคิดว่าพืชชนิดว่าพืชชนิดนี้ประสบปัญหาในการรักษาดุลยภาพของน้ำหรือไม่  และจะรักษาดุลยภาพได้ดังภาพกลไกใดบ้าง
5.    เราจะเลี้ยงปลาทะเลในน้ำจืดได้หรือไม่  เพราะเหตุใด
6.    ในวันที่อากาศเย็น  หรืออยู่ในที่เย็นปัสสาวะบ่อยกว่าวันที่มีอากาศร้อน  เพราะอะไร