Wydalanie jako jedna z podstawowych czynności życiowych organizmów

Przedstaw wydalanie jako jedną z podstawowych czynności życiowych organizmów zwierzęcych w świetle współczesnej wiedzy z anatomii, biochemii I fizjologii

Plan pracy

1. Istota wydalania.
2. Rodzaje zbędnych i szkodliwych produktów przemiany materii oraz drogi ich wydalania.
3. Przemiany związków azotowych.
4. Podział zwierząt ze względu na rodzaj usuwanego szkodliwego produktu przemiany azotowej.
5. Związek między rodzajem metabolitów a środowiskiem życia zwierząt.
6. Narządy wydalnicze zwierząt -różnorodność ich przystosowań do pełnionych funkcji na przykładzie zwierząt bezkręgowych i kręgowych.
7. Budowa i funkcja układu wydalniczego człowieka.
8. Podsumowanie i wnioski.

Wydalanie jest procesem fizjologicznym polegającym na usuwaniu z organizmu szkodliwych produktów przemian związków azotowych (amoniak, mocznik, kwas moczowy), dwutlenku węgla oraz wody i nadmiaru soli mineralnych i innych związków zbędnych dla organizmu.W wydalaniu tych substancji uczestniczą w różnym stopniu powłoki ciała, układ oddechowy, a także układ wydalniczy.Głównymi elementami w budowie układu wydalniczego są narządy, które filtrują lub wchłaniają z krwi lub innych płynów ciała szkodliwe produkty przemian związków azotowych, nadmiar wody i soli mineralnych. Pozostale narządy tych układów wyprowadzają wydaliny poza obręb ciała.

W wyniku aktywności metabolicznej komórek powstają zbyteczne produkty przemiany materii.Gdyby substancje te gromadziły się w organizmie, osiągnęłyby zapewne wkrótce wysokie stężenia, a nawet poziom toksyczny, zagrażając homeostazie wewnątrzustrojowej. Substancje te muszą być więc wydalane.
Do zasadniczych zbytecznych produktów metabolizmu należą u większości zwierząt woda, dwutlenek węgla i związki zawierające azot.Dwutlenek węgla wydalany jest głównie przez układ oddechowy; narządy wydalnicze, takie jak nerki, usuwają i wydalają z organizmu większość zbytecznej wody i związków azotowych.

Do zbędnych związków azotowych należy amoniak, kwas moczowy i mocznik.W procesie rozkładu aminokwasów (zarówno aminokwasy, jak i kwasy nukleinowe zawierają azot) zawierające azot grupy aminowe są odłączane od reszty cząsteczki (deaminacja) i przekształcane w amoniak. Amoniak jest w dużych stężeniach silnie toksyczny. Niektóre zwierzęta wodne wydalają go do otaczającej wody, zanim osiągnie szkodliwy dla organizmu poziom.Pewne zwierzęta lądowe wydychają amoniak wprost do atmosfery.U wielu jednak zwierząt amoniak ulega dalszym przemianom do mniej toksycznych związków, takich jak mocznik czy kwas moczowy.

Kwas moczowy produkowany jest z amoniaku i z pewnych elementów powstałych w wyniku rozpadu nukleotydów wchodzących w skład kwasów nukleinowych. Kwas moczowy krystalizuje i może być wydalany w postaci krystalicznej masy, przy niewielkiej utracie płynu z organizmu. Jest to ważny mechanizm oszczędzania wody u wielu zwierząt lądowych, np. owadów, niektórych gadów i ptaków. Częste wydalanie kwasu moczowego w odchodach i brak pęcherza moczowego stanowią o niewielkiej masie ciała ptaków, co w zasadniczy sposób ułatwia unoszenie się w powietrzu. Kwas moczowy nie jest toksyczny, dlatego też wydalanie produktów azotowych w postaci kwasu moczowego można rozumieć jako korzyść adaptacyjną u gatunków, których wczesne etapy rozwoju przebiegają w zamkniętym jaju, gdzie odkładane są i gromadzone wszystkie zbędne produkty przemiany materii.

Płazy i ssaki wydalają azot przede wszystkim w postaci mocznika, który wytwarzany jest głównie w wątrobie.Sekwencja reakcji, w wyniku których cząsteczka mocznika wytwarzana jest z amoniaku i dwutlenku węgla, znana jest jako cykl mocznikowy (ornitynowy). Reakcje te katalizowane są przez specyficzne enzymy i wymagają energii. Mocznik jest znacznie mniej toksyczny niż amoniak i dlatego też może gromadzić się w większych ilościach nie powodując żadnych uszkodzeń w tkance; może zatem być wydalany w dość stężonej postaci. Mocznik dobrze rozpuszcza się w wodzie, stąd też wydalany jest w postaci wodnego roztworu.Wydalając azot w postaci mocznika organizm zużywa więcej wody niż potrzebowałby na wydalanie azotu w postaci kwasu moczowego.

Zwierzęta wydalające amoniak nazywamy amoniotelicznymi; są nimi morskie bezkręgowce oraz wszystkie zwierzęta żyjące w wodzie słodkiej.Płyny ustrojowe bezkręgowców morskich są izoosmotyczne z otoczeniem, a powłoki ich ciał przepuszczalne.Amoniak łatwo dyfunduje do środowiska zewnętrzsnego zgodnie z gradientem stężeń. Konieczność stałego wypompowywania nadmiaru wody przenikającej ze środowiska hipoosmotycznego, jakim jest woda słodka, sprawia, że wraz z nią usuwany jest rozpuszczony w niej amoniak.Jego usunięcie wymaga dodatkowych nakładów energetycznych.Zwierzęta żyjące w wodzie słonej i na lądzie nie dysponują takimi objętościami wody, które mogłyby zapewnić bezpieczne wydalanie amoniaku.Przeciwnie, wykształciły się u nich mechanizmy oszczędnego gospodarowania wodą.Jednym z nich jest przekształcenie amoniaku w mniej toksyczne pochodne: mocznik lub kwas moczowy. Zwierzęta, u których mocznik jest głównym produktem metabolizmu azotowego, nazywamy ureotelicznymi.Są nimi ryby, plaży oraz ssaki.Zwierzęta zmuszone do jeszcze bardziej oszczędnej gospodarki wodą wbudowują amoniak w kwas moczowy, związek, który może być usuwany w postaci nirozpuszczalnych w wodzie kryształów.Taki zwierzęta nazywamy urykotelicznymi; należą do nich owady, ślimaki płucodyszne, gady i ptaki.

Skład płynów ustrojowych większości bezkręgowców morskich pozostaje w równowadze osmotycznej z otaczającą wodą morską.Zwierzęta te określa się mianem osmokonformistycznych, gdyż stężenie osmotyczne płynów ustrojowych zmienia się zgodnie ze zmianami stężenia osmotycznego wody morskiej.Stężenie soli w wodzie morskiej nie ulega znacznym wahaniom, zatem równowaga ta, przynajmniej okresowo, jest dość stabilna.

Morskim gąbkom i parzydełkowcom nie są potrzebne wyspecjalizowane narządy wydalnicze. Zbędne produkty metabolizmu usuwane są z płynów tkankowych do wody w drodze dyfuzji.Organizmy te wydatkują na wydalanie zbędnych produktów znikomo małe ilości energii, w odróżnieniu od zwierząt posiadających wyspecjalizowane narządy wydalnicze.Energia dostarczana jest z prądem wody, przepływającej wokół ciała lub wręcz poprzez ciało zwierzęcia.W okresowo stagnującej wodzie, np.w środowisku rafy koralowej, przejściowo gromadzić się mogą ogromne ilości produktów wydalniczych.

Środowiska przybrzeżne i wody słonawe, takie jak estuaria, są znacznie bardziej zmienne niż strefa wody otwartej.Zwierzęta zamieszkujące te strefy określa się mianem zwierząt osmoregulujących. Zwierzęta zasiedlające przybrzeżne strefy mórz wyposażone są w narządy wydalnicze, które usuwają nadmiar wody, gdyż tam stężenie soli w środowisku może być mniejsze niż stężenie soli w płynach ustrojowych.

W ciele zwierzęcia lądowego stężenie wody jest wyższe niż w otaczającej atmosferze. Dochodzi do utraty wody w skutek parowania z powierzchni ciała i z powierzchni oddechowych. Utrata wody następuje także w procesie wydalania. Życie na lądzie wymusiło więc ewolucję narządów i procesów, które wspólnie przeciwdziałają nadmiernej utracie wody.

Narząd nefrydialny (aparat nefrydialny) jest wyspecjalizowanym narządem wydalniczym bezkręgowców. Zbudowany jest z prostych lub rozgałęzionych przewodów, które uchodzą na zewnątrz ciała otworami nefrydialnymi. Po raz pierwszy wyspecjalizowane narządy wydalnicze pojawiają się u płazińców i wstężniaków. Chociaż część produktów metabolizmu opuszcza ciało drogą dyfuzji przez powierzchnię ciała, to występują tu pełniące funkcje osmoregulacyjne aparaty nefrydialne, zwane protonefrydiami. Dwa główne przewody wydalnicze lewy i prawy, łączą się na przodzie ciała poprzecznym kanalikiem. Przewody te otwierają się na zewnątrz ciała otworkami wydalniczymi. Każdy z głównych przewodów rozgałęzia się na szereg drobnych kanalików ślepo zakończonych buławkowatym rozszerzeniem, wyposażonym w pęczek rzęsek.Rozszerzenia te noszą nazwę komórek płomykowych, ponieważ pęczek falujących rzęsek przypomina migoczący płomień świecy.Komórki płomykowe zatopione są w płynie jamy ciała, który omywa wszystkie komórki.Część tego płynu przesącza się do komórek płomykowych, a ruchy rzęsek kierują go wzdłuż przewodów wydalniczych do uchodzących na zewnątrz otworów.
Aparat nerfydialny pierścienic i mięczaków nosi nazwę metanefrydium. Zbudowany jest z metamerycznie ułożonych narządów segmentalnych, po jednej parze w każdym odcinku ciała. Pojedynczy narząd segmentalny otwiera się do wnętrza ciała orzęsionym lejkiem, od którego odchodzi kręty przewód wydalniczy. Uchodzi on na zewnątrz w następnym segmencie, otworem wydalniczym na boku ciała. Przewody wydalnicze oplecione są gęstą siecią naczyń włosowatych. Płyn jamy ciała napędzany jest za pomocą orzęsionego lejka i kierowany wzdłuż przewodu ruchami rzęsek nabłonka migawkowego, który wyściela wewnętrzną powierzchnię kanałów. Potrzebne substancje, takie jak woda czy glukoza, wchłaniane są ponownie poprzez sieć naczyń włosowatych. W skrętach przewodu odbywa się wchłanianie wody, tak że mocz opuszczający metanefrydia jest znacznie zagęszczony i zawiera dużą ilość produktów przemiany materii.

Gruczoły czułkowe, zwane także gruczołami zielonymi, są głównymi narządami wydalniczymi skorupiaków.Te parzyste gruczoły mieszczą się w głowie i uchodzą na zewnątrz otworami u nasady czułków drugiej pary. Płyn z jamy ciała przesącza się do gruczołu zielonego; w czasie gdy płyn przemieszcza się wzdłuż przewodu wydalniczego, następuje regulacja jego składu.Potrzebne materiały są powtórnie wchłaniane do krwi. Zbędne produkty przemiany materii mogą być również aktywnie wydzielane z krwi do przesączu w gruczole czułkowym.

Układ wydalniczy owadów i pająków zbudowany jest z cewek Malpighiego, występujących w zmiennej liczbie (u niektórych gatunków do kilkuset).Ślepe zakończenia cewek leżą w hemocelu - wypełnionej krwią jamie ciała.Komórki w tych zakończeniach wychwytują z krwi sole mineralne oraz zbędne produkty metabolizmu i drogą dyfuzji lub aktywnego transportu kierują je do przewodów wydalniczych. Cewki Malpighiego uchodzą do jelita. Woda i niektóre substancje mineralne są ponownie wchłaniane do krwi przez wyspecjalizowane gruczoły odbytowe. Zasadniczym produktem wydalania jest kwas moczowy, który wydalany jest w postaci półsuchej masy o nieznacznej zawartości wody. Cewki Malpighiego pozwalają na oszczędne gospodarowanie często ograniczonymi zasobami wody na lądzie i przeciwdziałają niepotrzebnej utracie płynów. Dlatego też skutecznie przyczyniły się do opanowania środowisk lądowych przez owady.

Kręgowce opanowały wiele rozmaitych środowisk, w tym wody słodkie, wody słone, strefy pływów, a na lądzie nawet ekstremalne środowiska pustynne. Życie w tak skrajnych środowiskach oznacza konieczność regulacji stężenia soli i zawartości wody oraz konieczność usuwania ubocznych produktów metabolizmu.

U wielu kręgowców lądowych w procesie wydalania zbędnych produktów przemiany materii uczestniczą nerki, płuca, skóra i układ pokarmowy. W procesie wytwarzania energii w komórkach produktami odpadowymi są woda i dwutlenek węgla.Woda wydalana jest z ustroju w pocie (zawierającym głównie wodę oraz mocznik, chlorki sodu, sole amonowe, indykan, glukozę), parze wodnej powietrza wydechowego, moczu i kale.Dwutlenek węgla jest wydalany z powietrzem lub wydalany z moczem w postaci innych związków.Produktami ubocznymi procesu trawienia są nie ulegającego rozkładowi.Zostają one wydalone z kałem.

Układ moczowy człowieka i innych ssaków składa się z nerek- właściwego narządu tworzącego mocz i regulującego stosunki wodno-elektrolitowe organizmu (osmoregulacja) oraz moczowodów, pęcherza moczowego, cewki moczowej.

Mocz wytwarzany jest w nerkach, transportowany moczowodami do pęcherza i tam okresowo gromadzony.Cewka moczowa wyprowadza mocz z pęcherza na zewnątrz ciała

Ogólny plan budowy

Nerki położone są niżej przepony, po grzbietowej stronie ciała.Są to parzyste narządy wielkości pięści, kształtem przypominające ziarna fasoli.Mają one ciemnoczerwoną barwę.Zewnętrzna strona nerki nosi nazwę kory nerkowej, a wewnętrzna zwana jest rdzeniem nerki.Podstawowym elementem funkcjonalnym nerki jest nefron.W skład nefronu wchodzą:ciałko nerkowe, zbudowane z tętniczego kłębuszka naczyniowego i otaczającej go torebki kłębuszka (tzw.torebki Bowmana) oraz kanalik nerkowy, w którym wyróżnia się kanalik kręty bliższy, pętlę nefronu (pętlę Henlego) i kanalik kręty dalszy.

Kanaliki poszczególnych nefronów przechodzą w kanaliki zbiorcze, te zaś uchodzą pośrednio do moczowodu.W nerce człowieka znajduje się ponad milion nefronów.Rolą nefronów jest wytwarzanie moczu.Mocz powstaje w 3-etapowym ciągu:
1) filtracji odbywającej się w ciałku nerkowym; z krwi odfiltrowywane są substancje prost, np.amonokwasy, witaniny, glukoza, H2O oraz zbędne lub szkodliwe produkty przemiany materii, a przesącz ten nazywa się moczem pierwotnym.

2) resorpcji, czyli zachodzącego w kanaliku nerkowym wchłaniania zwrotnego substancji potrzebnych organizmowi; ten typ resorpcji obowiązkowej zachodzi w kanalikach krętych bliższych, natomiast w kanalikach krętych dalszych zachodzi tzw.resorpcja nadobowiązkowa, która dotyczy zwrotnego wchłaniania H2O oraz soli mineralnych w zależności od potrzeb organizmu.

3) zagęszczania szkodliwych produktów przemiany materii przez odprowadzanie większości wody oraz jonów sodu Na+, co odbywa się w pętli nefronu.
W wyniku tych procesów powstaje mocz ostateczny, który spływa do miedniczek nerkowych, a stąd do moczowodu.

Układ wydalniczy zapewnia zwierzętom wydalanie z organizmu, w stanie płynnym lub stałym, substancji zbędnych, tj.nieużytecznych w procesach metabolicznych.Poza tym układ wydalniczy służy do wydalania nadmiaru wody i do regulowania stężenia soli mineralnych, rozpuszczonych w płynach ustrojowych.Do głównych ubocznych produktów metabolizmu zwierząt należą: woda, dwutlenek węgla i produkty azotowe, a w tym amoniak, mocznik i kwas moczowy.

U bezkręgowców znane są rozmaite mechanizmy wydalania; są one pochodną planu budowy ciała i trybu życia zwierzęcia:
- morskie gąbki i parzydełkowce nie mają wyspecjalizowanych narządów wydalniczych,
- układ wydalniczy płazińców zbudowany jest z protonefrydiów zakończonych komórkami płomykowymi,
- układ wydalniczy pierścienic zbudowany jest z metanefrydiów,
- cewki Malpighiego owadów pomagają w oszczędnym gospodarowaniu zasobami wody.

Nerka kręgowców spełnia funkcje wydalnicze i osmoregulacyjne oraz pełni kluczową rolę w utrzymywaniu homeostazy organizmu.

Głównym systemem wydalniczym człowieka i innych kręgowców jest układ moczowy, a kluczowym narządem utrzymującym równowagę płynów ustrojowych oraz pełniącym funkcje wydalnicze jest nerka.Mocz wytwarzany w nerce płynie moczowodami do pęcherza moczowego, tu gromadzi się, a na zewnątrz organizmu wydalany jest przez cewkę moczową, w procesie zwanym oddawaniem moczu. Mocz składa się z wody, azotowych produktów metabolizmu, soli i zbytecznego nadmiaru rozmaitych innych substancji.Objętość wytwarzanego moczu regulowana jest na drodze hormonalnej.