動物解剖學和生理學/泌尿系統
完成本節後，您應該瞭解
- 瞭解泌尿系統的各個部分。
- 腎臟的結構和功能。
- 腎小管或腎元的結構和功能。
- 過濾、重吸收、分泌和濃縮等將血液轉化為尿液的腎小管過程。
- 抗利尿激素在產生濃縮尿液中的作用。
- 正常尿液的成分、儲存和排洩。
- 尿液中異常成分及其意義。
- 腎臟在排洩含氮廢物、控制水位和調節鹽濃度和酸鹼平衡方面的功能。
- 鳥類沒有膀胱。
它被定義為動物或人類調節其內部溫度的過程。體內平衡是維持穩定的內部環境。體內平衡是一個在 1959 年創造的術語，用來描述生物體必須維持的物理和化學引數，以使它的組成細胞、組織、器官和器官系統正常運作。
回想一下，酶在一定溫度和 pH 範圍內發揮最佳作用，細胞必須努力維持水量與其外部環境之間的平衡，既不能太多也不能太少。這兩種情況都證明了體內平衡。就像我們有一個特定的溫度範圍（或舒適區）一樣，我們的身體也有一個環境（內部和外部）引數範圍，在這個範圍內它工作得最好。多細胞生物透過擁有協調其體內平衡的器官和器官系統來實現這一點。除了生命必須執行的其他功能（回顧我們在引言章節中的討論）之外，單細胞生物必須在其單個細胞內完成其體內平衡！
單細胞生物被其外部環境包圍。它們透過調節細胞膜及其功能將物質移入移出細胞。大多數多細胞生物的細胞大部分都受到外部環境的保護，被水性的內部環境包圍。這種內部環境必須維持在這樣一個狀態，以便最大限度地提高效率。體內平衡的最終控制是由神經系統完成的。通常這種控制是透過負反饋迴路的形式來實現的。體溫控制是體內平衡條件的主要功能，它涉及皮膚、肌肉、神經和迴圈系統的整合。
單細胞生物執行的體內平衡與其多細胞生物執行的體內平衡之間的差異源於它們的組織基本方案：單細胞生物可以將廢物排放到細胞外，然後就完成了。多細胞生物（如人類或貓）中的細胞也將其廢物排放到這些細胞之外，但就像我家/公寓外的垃圾桶或垃圾箱一樣，這些廢物必須被運走。在我的身體裡，迴圈系統與排洩系統協同工作，完成了這些廢物的運輸。對於我的房子，我讓鳳凰城政府的衛生部門來做這件事（並且每個月都要支付他們的服務費用！）。
體內平衡的最終控制是由神經系統完成的（對於快速反應，如避免拿起熱鍋的反射）和內分泌系統完成的（對於長期反應，如維持體內鈣的水平等）。通常這種體內平衡控制採取負反饋迴路的形式。生物反饋有兩種型別：正反饋和負反饋。負反饋關閉了導致它的刺激。你家裡的暖氣（或對於我們太陽帶的人來說是空調）是根據負反饋原理工作的。當你的房子冷卻到低於你的恆溫器設定的溫度時，暖氣就會開啟，將空氣加熱，直到溫度達到或超過恆溫器設定的溫度。恆溫器檢測到這種溫度升高，併發出訊號關閉暖氣，讓房子冷卻，直到暖氣再次開啟，迴圈（或迴路）繼續。
水對於生物的生存至關重要，因為生物體內的所有化學反應都發生在水溶液中。動物的身體包含高達 80% 的水份。確切的比例取決於動物的型別、年齡、性別、健康狀況以及是否飲用充足的水份。一般來說，動物無法忍受超過 15% 的身體水份損失。
在脊椎動物中，這些水份的近 2/3 在細胞內（細胞內液）。其餘部分在細胞外（細胞外液），它存在於細胞周圍的空間（組織液）中，以及血液和淋巴液中。水被認為是生命的源泉。它對動物的生命至關重要，原因如下
(i) 水是重要的體液，對於調節消化、營養物質運輸和排洩等過程至關重要。水可以溶解離子以及大量的極性有機化合物。因此，它將消化產物運輸到身體需要的部位。
(ii) 水通過出汗和蒸發過程調節體溫。
(iii) 水是體內所有代謝反應的介質。體內所有代謝反應都在溶液相中進行。
(iv) 水為各種動物提供棲息地，例如池塘和河流、海洋等。
圖 12.1 - 體內水份
動物透過皮膚和肺部、糞便和尿液丟失水份。這些損失必須由食物和飲料中的水份以及化學反應副產物中的水份來補充。如果動物無法補償水份損失，血液中溶解的物質的濃度可能會變得過高，從而致命。為了防止這種情況發生，當血液濃度增加時，各種機制就會發揮作用。大腦的一部分叫做下丘腦負責這些體內平衡過程。最重要的機制是口渴感，它是由血液濃度升高引起的。這會刺激動物尋找水份並飲用。
腎臟也參與維持水份平衡，因為各種激素指示它們產生更濃縮的尿液，從而保留一些原本會損失的水份（見本章和第 16 章的後面內容）。
應對水份損失對於生活在乾燥環境中的動物來說是一個特殊的問題。一些動物，如駱駝，已經進化出對脫水的極高耐受性。例如，在某些條件下，駱駝可以忍受三分之一的身體質量損失作為水份。它們也可以在每天的溫度大幅波動中生存。這意味著它們不需要使用大量的水份透過汗液蒸發來冷卻身體。
體型較小的動物比大型動物更容易透過白天躲藏在避風潮溼的地方休息，只在晚上活動，來避免極端溫度或乾燥條件。
袋鼠鼠能夠在沒有飲用水的情況下生存，因為它不排汗，並且產生高度濃縮的尿液。來自食物和化學過程的水足以滿足其所有需求。
排洩
[edit | edit source]動物需要排洩，因為它們攝入超過身體需求的物質，並且體內許多化學反應會產生廢物。如果這些物質不及時清除，它們會毒害細胞或減緩新陳代謝。因此，所有動物都有一些方法來擺脫這些廢物。
哺乳動物的主要廢物是透過肺部排出的二氧化碳，以及當過量的氨基酸（來自蛋白質）分解時產生的尿素。尿素由腎臟從血液中過濾出來。
圖 12.2 - 狗的泌尿系統器官的位置
BY GIZAW MEKONNEN
腎臟和泌尿系統
[edit | edit source]泌尿系統，也被稱為腎臟系統或泌尿道，由腎臟、輸尿管、膀胱和尿道組成。泌尿系統的目的是從體內消除廢物，調節血容量和血壓，控制電解質和代謝產物的水平，以及調節血液pH值。泌尿道是身體的排水系統，最終用於排出尿液。[1] 腎臟透過腎動脈獲得了豐富的血液供應，腎動脈從腎臟透過腎靜脈離開。每個腎臟都包含稱為腎單位的功能單位。在過濾血液和進一步處理之後，廢物（以尿液的形式）透過輸尿管離開腎臟，輸尿管是由平滑肌纖維構成的管子，將尿液推向膀胱，在那裡儲存並隨後透過排尿（排洩）從體內排出。女性和男性泌尿系統非常相似，只是尿道的長度不同。
尿液是在腎臟中透過血液過濾形成的。尿液然後透過輸尿管進入膀胱，在那裡儲存。在排尿過程中，尿液從膀胱透過尿道流出體外。
健康的成年人每天通常會產生 800-2,000 毫升 (mL) 的尿液。這個量會根據水分攝入量和腎臟功能而有所不同。
哺乳動物的腎臟是豆形的器官，位於腹腔內，附著在脊柱兩側的背壁上（參見圖 12.2）。來自背主動脈的動脈，稱為腎動脈，為它們提供血液，而腎靜脈則將血液帶走。
圖 12.3 - 泌尿系統
肉眼看來，腎臟似乎是相當簡單的器官。它們被纖維外衣或囊膜覆蓋，如果將它們縱向切成兩半，可以觀察到兩個不同的區域 - 內部的髓質和外部的皮質。腎臟內的一個空腔稱為腎盂，收集尿液並將其輸送到輸尿管，輸尿管連線到膀胱，在那裡尿液被暫時儲存。肌肉環（括約肌）控制著尿液從膀胱中的釋放，而尿液則透過尿道離開身體（參見圖 12.3 和 12.4）。
圖 12.4 - 腎臟解剖圖
腎小管或腎單位
[edit | edit source]只有當你用顯微鏡觀察腎臟時，你才會發現它們的結構一點也不簡單。皮質和髓質被發現是由大量微小的管子組成。這些被稱為腎小管或腎單位（參見圖 12.5 和 12.6）。人的腎臟包含超過一百萬個這樣的結構。
圖 12.5 - 幾個腎小管或腎單位
圖 12.6 - 腎小管或腎單位
每個腎單位的一端，在腎臟的皮質中，有一個杯狀結構，稱為（鮑曼氏或腎臟）囊。它包圍著一束毛細血管，稱為腎小球，它攜帶高壓血液。腎小球和囊一起充當血液過濾裝置（參見圖 12.7）。過濾器中的孔允許血液中大多數成分透過，除了紅細胞和白細胞以及大分子蛋白質。因此，從囊中流入腎小管其餘部分的液體非常類似於血漿，包含許多有用的物質，如水、葡萄糖、鹽和氨基酸。它還含有廢物，如尿素。
腎單位中發生的生理過程
[edit | edit source]過濾後的液體進入腎小球后，沿著小管的盤繞部分（近端小管）流向環狀部分（亨利氏環），然後透過第二段盤繞的小管（遠端小管）流向集合管（參見圖 12.6）。從集合管，尿液流入腎盂並進入輸尿管。
請注意，腎小球、囊和兩個盤繞的小管都位於腎臟的皮質中，而亨利氏環和集合管則構成髓質（參見圖 12.5）。
當液體沿著近端小管流動時，有用的物質如葡萄糖、水、鹽、鉀離子、鈣離子和氨基酸被重吸收進入圍繞小管形成網路的毛細血管。這些物質中的許多是透過主動運輸來運輸的，需要能量。
圖 12.7 - 腎小球和囊中的過濾作用
在另一個獨立的過程中，某些物質，特別是鉀、銨和氫離子，以及青黴素等藥物，被主動分泌到遠端小管中。
當液體到達集合管時，這些吸收和分泌過程已經將最初過濾到鮑曼氏囊中的液體變成了尿液。然後，集合管的主要功能是根據需要從尿液中去除更多水。這些過程在圖 12.8 中進行了總結。
正常尿液由水組成，其中溶解著廢物，如尿素，以及鹽，如氯化鈉。紅血細胞分解產生的色素使尿液呈黃色。
濃縮尿液的產生
[edit | edit source]由於腎小球中血液的高壓以及腎小球/囊過濾裝置中孔隙的大尺寸，大量液體進入腎小管。如果這種液體保持原樣，動物的身體將在 30 分鐘內被排幹。實際上，當液體沿著小管流動時，其中超過 90% 的水被重吸收。這種重吸收的主要部分發生在集合管中。
從集合管中去除的水量受一種叫做抗利尿激素 (ADH) 的激素控制，這種激素由位於大腦底部垂體分泌。當血液變得更加濃縮時，例如當動物缺乏水分時，ADH 會分泌，導致更多水從集合管中被吸收，從而產生濃縮的尿液。當動物喝足水，血液變稀時，不會分泌 ADH，並且很少或沒有水從集合管中被吸收，因此產生稀釋的尿液。透過這種方式，血液濃度被精確地控制。
圖 12.8 - 尿液形成過程的總結
魚類和海洋動物的水分平衡
[edit | edit source]淡水魚
[edit | edit source]儘管魚類的皮膚或多或少是防水的，但鰓卻非常多孔。生活在淡水中的魚類體液中溶解物質的濃度高於它們遊動的水中。換句話說，淡水魚的體液對於水來說是高滲的（參見第 3 章）。因此，水透過滲透流入體內。為了防止體液不斷稀釋，淡水魚會產生大量稀釋的尿液。
像鯊魚和狗魚這樣的海洋魚類，其體液中溶解物質的濃度與水相同（**等滲**），因此在水平衡方面幾乎沒有問題。但是，像紅鱈魚、鯛魚和鰨魚這樣的海洋硬骨魚，其體液中溶解物質的濃度低於海水（它們對海水而言是**低滲**的）。這意味著水會透過滲透作用從它們的體內流出。為了彌補這種液體流失，它們會喝海水，並透過鰓排出多餘的鹽分。
以海洋魚類為食的海鳥會攝入大量的鹽分，有些海鳥只能喝海水。鳥類的腎臟無法產生高度濃縮的尿液，因此它們進化出了鹽腺。鹽腺會將濃縮的鹽溶液排洩到鼻腔中，以排出多餘的鹽分。
糖尿病有兩種型別。最常見的一種叫做糖尿或**糖尿病**，在貓和狗中很常見，尤其是在超重的情況下。它的病因是胰腺分泌的**胰島素**不足，而胰島素是控制血液中葡萄糖量的激素。如果胰島素分泌不足，血液中葡萄糖的濃度會升高。血液中葡萄糖的任何增加都會自動導致濾入腎小管的液體中葡萄糖的增加。通常情況下，腎臟會去除所有濾入其中的葡萄糖，但是高濃度會淹沒這種去除機制，從而產生含有葡萄糖的尿液。這種型別糖尿病的主要症狀是產生大量含有葡萄糖的稀釋尿液，以及口渴。
第二種型別的糖尿病叫做**尿崩症**。這個名字來源於其主要症狀，即產生大量非常稀釋和“無味”的尿液。它發生在垂體分泌的抗利尿激素（ADH）不足時，ADH是一種刺激腎小管重新吸收水的激素。當這種激素缺乏時，水不會被吸收，就會產生大量稀釋的尿液。因為尿液中損失了太多水，患有這種糖尿病的動物如果只有一天左右沒有水喝就會死亡。
如上所述，從體內排洩尿素和維持水平衡是腎臟的主要功能。然而，腎臟在維持體內條件穩定方面發揮著其他作用，即在維持穩態方面。這些作用包括
- 透過調節排洩或保留的量來控制血液中鹽離子（Na+、K+、Cl-）的濃度；
- 維持血液的正確酸度。體內正常化學反應不斷產生過量的酸，腎臟會將其排出體外。
正常尿液由水（95%）、尿素、鹽（主要是氯化鈉）和色素（主要是來自膽汁）組成，這些物質賦予了尿液其特有的顏色。
如果身體機能不正常，尿液中可能會出現少量原本不存在的物質，或者原本存在的物質會以異常的量出現。
- **葡萄糖**的存在可能表明糖尿病（見上文）。
- 含有紅細胞的尿液稱為**血尿**，可能表明腎臟或泌尿道發炎、癌症或腎臟受損。
- 有時尿液中會發現遊離的**血紅蛋白**。這表明血液中的紅細胞發生了**溶血**（細胞膜破裂），血紅蛋白進入腎小管。
- 尿液中存在**白細胞**表明腎臟或泌尿道感染。
- **蛋白質分子**通常太大而無法進入腎小管，因此尿液中通常沒有或只有少量蛋白質，例如**白蛋白**。大量白蛋白表明腎小管受損或腎臟患病。高血壓也會將血液中的蛋白質推入小管。
- **管型**是小管內壁脫落並被衝入尿液中的微小圓柱形物質。
- 健康動物的尿液中通常不會出現**粘液**，但它是馬尿的正常成分，使其具有特有的渾濁外觀。
可以進行測試來識別尿液中的任何異常成分。這些測試通常透過“**試紙**”進行，試紙是帶有吸附端的小塑膠條，吸附端浸漬著各種化學物質。在存在異常成分的情況下，會發生顏色變化。
鳥類的高體溫水平和活動量意味著它們需要節約用水。因此，鳥類沒有膀胱，並且它們不排洩需要溶解在大量水中的尿素，而是產生尿酸，尿酸可以以濃稠的糊狀物與糞便一起排出。這就是落在你身上或你的車上的鳥糞的白色粉狀部分。
結論
- 排洩系統由成對的**腎臟**和相關的血液供應組成。**輸尿管**將尿液從腎臟輸送到膀胱，而**尿道**和相關的括約肌控制著尿液的排出。
- 腎臟在維持體內**穩態**方面發揮著重要作用。它們排洩廢物尿素，控制體液中水和鹽的濃度，並調節血液的酸度。
- 腎臟由外層**皮質**、內層**髓質**和一個稱為**腎盂**的腔組成，腎盂收集尿液並將其輸送到輸尿管。
- 腎臟組織由大量稱為**腎小管**或**腎元**的微小管組成。這些是產生尿液的結構。
- 高壓血液透過一簇稱為**腎小球**的毛細血管供應給腎元。除了細胞和大蛋白質分子外，血液中的大部分物質都會從腎小球濾入（**鮑曼囊**）。這種液體流過小管的盤繞部分（**近端小管**），在此，葡萄糖、氨基酸和各種離子等有用的物質會被重吸收。液體流過小管的環狀部分，稱為**亨利氏環**，在此會重新吸收水，然後流過小管的另一個盤繞部分（**遠端小管**），在此會進行更多重吸收和分泌。最後，液體流過**集合管**，在此重新吸收水以形成濃縮的尿液。
BY GIZAW MEKONNEN
使用此排洩系統工作表來幫助你學習泌尿系統、腎臟和腎小管及其功能的各個部分。
然後可以使用泌尿系統測試自己來檢視你是否理解了這個相當複雜的系統。
1. 在下面所示的排洩系統圖中新增以下標籤：膀胱 | 輸尿管 | 尿道 | 腎臟 | 背主動脈 | 腔靜脈 | 腎動脈 | 腎靜脈
2. 使用以下列表中的單詞/短語，填寫以下語句中的空格。
- | 皮質 | 氨基酸 | 腎臟 | 葡萄糖 | 水重吸收 | 大蛋白質 |
- | 腎小球囊 | 糖尿病 | 分泌 | 抗利尿激素 (ADH) | 血細胞 |
- | 腎小球 | 尿液濃度 | 髓質 | 腎單位 |
a) 血液透過.........................動脈進入腎臟。
b) 腎臟橫切面分為兩個區域，外.........................和內.........................。
c) 腎小管的另一個名稱是...............................。
d) 血液過濾發生在..............................。
e) 過濾液（濾液）進入.............................。
f) 進入上述 e) 的濾液與血液相似，但沒有..................或....................。
g) 當液體沿著腎小管的第一個盤曲部分流動時，..................和....................會被去除。
h) 亨利氏環的主要功能是.............................................................。
i) 氫離子和鉀離子被..............................到腎小管的第二個盤曲部分。
j) 集合管的主要功能是..................................................。
k) 激素......................................負責控制集合管中的水重吸收。
請為以下問題寫出簡短的答案
l) 當胰腺分泌的胰島素激素不足時，會導致...............................。這可以透過檢測尿液中的................................來最容易地診斷。什麼是穩態？
2. 請舉出兩個穩態的例子。
3. 列出動物在天氣炎熱時保持體溫恆定的三種方式。
4. 當動物缺乏飲用水時，腎臟是如何進行補償的？
6. 描述喘氣如何幫助降低血液的酸性。
- http://www.biologycorner.com/bio3/nephron.html 生物角。一個很棒的腎臟和腎單點陣圖，可以打印出來，貼上標籤，並用清晰的功能解釋著色。
- http://health.howstuffworks.com/adam-200032.htm 工作原理。該動畫追蹤了腎臟中尿液形成和重吸收的整個過程，從輸尿管向下到膀胱，最後透過尿道排出。需要 Shockwave。
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