การรักษาดุลยภาพน้ำและแร่ธาตุของสิ่งมีชีวิต
การรักษาดุลยภาพน้ำและแร่ธาตุของสิ่งมีชีวิต
โครงสร้างของสิ่งมีชีวิตทั้งพืช สัตว์ และมนุษย์ประกอบด้วยเซลล์จำนวนมากมายมหาศาลมาอยู่ร่วมกันเป็นระบบเนื้อเยื่อและอวัยวะต่าง ๆ ซึ่งการทำงานของเซลล์ต่าง ๆ ก็ต้องอาศัยสภาพแวดล้อมที่มีความเหมาะสมต่อเซลล์ด้วย ดังนั้นในโครงสร้างร่างกายของสิ่งมีชีวิตจึงจำเป็นต้องมีระบบการรักษาดุลยภาพของสารต่าง ๆ เพื่อช่วยควบคุมปริมาณสารต่าง ๆ ให้มีความเหมาะสมต่อการทำงานของเซลล์อยู่เสมอ โดยระบบการรักษาดุลยภาพของน้ำและแร่ธาตุของพืช สัตว์ต่าง ๆ รวมถึงมนุษย์จะมีความแตกต่างกันดังนี้
1. การรักษาดุลยภาพน้ำและแร่ธาตุในพืช
พืชเป็นสิ่งมีชีวิตที่ดำรงชีวิตอยู่ในสิ่งแวดล้อม โดยอาศัยแร่ธาตุและน้ำจากสิ่งแวดล้อม เป็นวัตถุดิบในการสังเคราะห์อาหารด้วยกระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสงเพียง 1-2% เท่านั้น ส่วนน้ำที่เหลือประมาณ 98-99% จะถูกขับออกจากต้นพืชด้วยการคายน้ำทางใบ เพื่อให้เกิดแรงดึงจากการคายน้ำทำให้สามารถลำเลียงน้ำจากรากพืชไปสู่ส่วนยอดได้ และยังใช้สำหรับรักษาความสมดุลของระบบต่าง ๆ ในต้นพืช
น้ำส่วนใหญ่ในต้นพืชจะถูกกำจัดออกทางปากใบในรูปของไอน้ำที่ระเหยออกจากปากใบ (stomata) นอกจากนี้บางส่วนอาจสูญเสียออกไปทางผิวใบ ส่วนของลำต้นที่เป็นเนื้อเยื่ออ่อน ๆ และตามรอยแตกหรือรูเล็ก ๆ ตามลำต้น ในช่วงที่ต้นพืชขาดน้ำ ต้นพืชจะปิดปากใบเพื่อลดการคายน้ำ แต่ยังคงมีการระเหยออกทางผิวใบและรอยแตกตามลำต้น จึงช่วยทำให้ใบและลำต้นพืชไม่ร้อนจัดเกินไป
การควบคุมการคายน้ำที่ปากใบเกิดขึ้นได้เนื่องจากที่บริเวณรอบปากใบจะมีเซลล์คุม (guard cell) ซึ่งเป็นเซลล์ชั้นนอกสุดของผิวใบ (epidermis layer) พบได้ทั้งด้านบนและด้านล่างของใบ โดยด้านล่างของใบจะมีจำนวนเซลล์คุมมากกว่าด้านบนของใบ ภายในเซลล์คุมจะมีคลอโรพลาสต์ มีลักษณะที่แตกต่างจากเซลล์อื่น ๆ บนผิวใบ คือ เซลล์คุมจะมีลักษณะเป็นเซลล์คู่ โดยผนังด้านในของเซลล์คุมจะหนากว่าผนังเซลล์ด้านนอก
การเปิดและปิดปากใบเกิดขึ้นเนื่องจากความเต่งของเซลล์คุม โดยเมื่อในต้นพืชมีน้ำอยู่มาก น้ำจากเซลล์ต่าง ๆ รอบเซลล์คุมจะแพร่เข้าสู่เซลล์คุม ทำให้เซลล์คุมเต่งเนื่องจากมีปริมาณน้ำมาก ผนังของเซลล์คุมจึงยืดออกดึงให้ผนังส่วนที่หนางอตัวแยกออกจากกันส่งผลให้ปากใบเปิดออก
แต่ในกรณีที่ใบต้นพืชขาดแคลนน้ำ น้ำจากเซลล์คุมจะแพร่ออกสู่เซลล์ต่าง ๆ ที่อยู่รอบเซลล์คุม เซลล์คุมจึงหดตัวไม่สามารถดึงผนังส่วนที่หนาแยกออกจากกันได้ ส่งผลให้ปากใบปิดลง นอกจากนี้ยังพบว่า แสง อุณหภูมิและแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ ก็เป็นปัจจัยที่มีผลต่อการเปิดและปิดปากใบด้วยเช่นกัน
2. การรักษาดุลยภาพน้ำและแร่ธาตุในสัตว์
สัตว์แต่ละชนิดจะมีกลไกการรักษาดุลยภาพของน้ำในร่างกาย เพื่อให้ร่างกายอยู่ในสภาวะสมดุลและเหมาะสมต่อการดำรงชีวิต เนื่องจากน้ำในร่างกายของสิ่งมีชีวิตจะมีความสัมพันธ์กับความเข้มข้นของแร่ธาตุ และสารต่าง ๆ ที่ละลายอยู่ในน้ำ ดังนั้นการรักษาดุลยภาพของน้ำในร่างกายจึงมีความเกี่ยวข้องกับการรักษาดุลยภาพของเกลือแร่ และสารต่าง ๆ ในร่างกายด้วยเช่นกัน
การเปลี่ยนแปลงของปริมาณน้ำในส่วนต่าง ๆ ของร่างกายจะส่งผลต่อการเปลี่ยนแปลงความเข้มข้นของแร่ธาตุและสารต่าง ๆ ในร่างกาย ซึ่งจะมีผลกระทบต่อเนื่องไปถึงดุลยภาพในการลำเลียงสารในระดับเซลล์ด้วย ดังนั้น การรักษาดุลยภาพของน้ำและแร่ธาตุในสิ่งมีชีวิต จึงมีความสำคัญเป็นอย่างยิ่ง โดยในสัตว์บางชนิดอาจจะมีระบบการรักษาดุลยภาพของน้ำและแร่ธาตุในร่างกายที่แตกต่างกันได้ ดังนี้
1) สิ่งมีชีวิตเซลล์เดียว หรือโพรโทซัวที่อาศัยในน้ำจืด ได้แก่ อะมีบา พารามีเซียม เป็นสิ่งมีชีวิตที่มีโครงสร้างภายในเซลล์ที่ไม่ซับซ้อน จะใช้วิธีการรักษาปรับสมดุลของน้ำและของเสียที่เกิดขึ้นในเซลล์ เช่น แอมโมเนียและแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ โดยการแพร่ผ่านเยื่อหุ้มเซลล์ออกไปสู่สิ่งแวดล้อมโดยตรง นอกจากนี้ภายในเซลล์ยังมีโครงสร้างที่เรียกว่า คอนแทรกไทล์ แวคิวโอล (contractile vacuole) ซึ่งมีหน้าที่กำจัดสารละลายของเสียและน้ำออกสู่ภายนอกเซลล์ด้วยวิธีการลำเลียงแบบ เอกโซไซโทซิส ทำให้สามารถรักษาดุลยภาพของน้ำไว้ได้ และยังเป็นการช่วยปัองกันไม่ให้เซลล์เต่งหรือบวมมากจนเกินไป
2) สัตว์ปีก นกหลายชนิดจะมีขนปกคลุม เพื่อป้องกันการสูญเสียน้ำเนื่องจากความร้อน และยังมีระบบการรักษาดุลยภาพของน้ำด้วยการขับออกในรูปปัสสาวะนอกจากนี้ยังพบว่านกทะเลที่กินพืชหรือสัตว์ทะเลเป็นอาหาร จะมีอวัยวะที่ทำหน้าที่กำจัดแร่ธาตุหรือเกลือส่วนเกินออกไปจากร่างกาย เรียกว่า ต่อมเกลือ (salt gland) ซึ่งอยู่บริเวณหัวและจมูก โดยแร่ธาตุและเกลือจะถูกกำจัดออกในรูปของน้ำเกลือ วิธีการรักษาสมดุลเช่นนี้ จึงทำให้นกทะเลต่าง ๆ สามารถดำรงชีวิตอยู่ได้ แม้จะบริโภคอาหารที่มีแร่ธาตุและเกลือสูงเป็นประจำ
3) สัตว์บก สัตว์บกจะได้รับน้ำจากการดื่มน้ำ และจากน้ำที่เป็นส่วนประกอบในอาหาร เช่น ในพืชผัก ผลไม้ ตลอดจนน้ำที่อยู่ในเนื้อสัตว์ต่าง ๆ นอกจากนี้ยังได้รับน้ำจากกระบวนการย่อยสลายสารอาหาร ตลอดจนการเผาผลาญสารอาหาร หากร่างกายได้รับปริมาณมากเกินไป ร่างกายจะกำจัดน้ำส่วนเกินออกในรูปของเหงื่อ ไอน้ำในลมหายใจ ปัสสาวะ และอุจจาระ โดยมีไตเป็นอวัยวะหลักที่ทำหน้าที่ควบคุมสมดุลของน้ำ และแร่ธาตุในร่างกาย
4) สัตว์น้ำเค็ม จะมีวิธีการควบคุมสมดุลน้ำและแร่ธาตุในร่างกายที่แตกต่างไปจากสัตว์บก เนื่องจากสัตว์น้ำเค็มจะต้องมีการปรับความเข้มข้นของเกลือแร่ในร่างกายให้ใกล้เคียงกับสภาพแวดล้อม เรียกระดับความเข้มข้นเกลือแร่ภายในร่างกายให้ใกล้เคียงกับสภาพแวดล้อมว่า ไอโซทอนิก (isotonic) ซึ่งจะช่วยทำให้ร่างกายกับสภาพแวดล้อมมีความสมดุลกันจึงไม่มีการสูญเสียน้ำหรือรับน้ำเข้าสู่ร่างกาย โดยสัตว์น้ำเค็มแต่ละชนิดจะมีกลไกในการรักษาดุลยภาพที่แตกต่างกัน ดังนี้
ในปลากระดูกอ่อน เช่น ปลาฉลาม จะมีระบบการรักษาสมดุลโดยการพัฒนาให้มียูเรียสะสมในกระแสเลือดในปริมาณสูง จนมีความเข้มข้นใกล้เคียงกับน้ำทะเลจึงไม่มีการรับน้ำเพิ่มหรือสูญเสียน้ำไปโดยไม่จำเป็น
ส่วนในปลากระดูกแข็งจะมีเกล็ดตามลำตัว เพื่อใช้ป้องกันการสูญเสียน้ำภายในร่างกายออกสู่สภาพแวดล้อมเนื่องจากสภาพแวดล้อมมีความเข้มข้นของสารละลายมากกว่าในร่างกาย และมีการขับเกลือแร่ออกทางทวารหนัก และในลักษณะปัสสาวะที่มีความเข้มข้นสูงและมีกลุ่มเซลล์ที่เหงือกทำหน้าที่ลำเลียงแร่ธาตุออกนอกร่างกายด้วยวิธีการลำเลียงแบบใช้พลังงาน
5) สัตว์น้ำจืด ระบบการรักษาดุลยภาพของสัตว์น้ำจืดมีความแตกต่างจากสัตว์น้ำเค็ม เนื่องจากสัตว์น้ำจืดอาศัยอยู่ในน้ำที่มีความเข้มของสารละลายต่ำกว่าภายในร่างกาย ทำให้น้ำจากภายนอกร่างกายสามารถออสโมซิสเข้าสู่ภายในร่างกายได้มาก ปลาน้ำจืดจึงต้องมีผิวหนังและเกล็ดป้องกันการซึมเข้าของน้ำ มีการขับปัสสาวะบ่อยและเจือจาง และมีอวัยวะพิเศษที่เหงือกคอยดูดเกลือแร่ที่จำเป็นคืนสู่ร่างกาย
