Как бы не менялось потребление воды и солей с пищей, вес наш, а следовательно, и общее содержание жидкости в организме десятилетиями остаются примерно одинаковыми. Можно удивляться совершенству физиологических механизмов, которые обеспечивают постоянство состава крови и других жидкостей внутренней среды у здорового человека, несмотря на разнообразие условий, в которых он находится. Сохранение оптимального соотношения между содержанием воды и отдельных солей в организме человека — необходимое условие его нормальной жизнедеятельности. Нарушения водно-солевого обмена могут вызвать отеки, судороги, слабость, тяжелую анемию, а также несахарное мочеизнурение, когда почки выделяют больше 20 литров жидкости в сутки. Водно-солевой обмен включает в себя многие компоненты: регуляцию потребления воды и солей, их всасывание в желудке и кишечнике, распределение в организме и, наконец, выделение их избытка.
В сутки человеку требуется в среднем 2,5 литра воды. Свыше 1,2 литра жидкости мы выпиваем для утоления жажды; около литра воды входит в состав различных продуктов питания. Кроме того, примерно 0,3 литра воды образуется в организме за счет окисления основных питательных веществ — жиров, углеводов, белков. Выделяется вода из организма также разными путями: почками (примерно. 1,4 литра), с каловыми массами (до 0,2 литра), в виде водяных паров, образующихся при выдыхании воздуха из легких (около 0,4 литра), с потом (приблизительно 0,5 литра). В теле человека, весящего 70 килограммов, содержится примерно 42 литра воды. Две трети этого количества —28 литров — входит в состав клеток. Внутри кровеносных сосудов заключено свыше 3 литров, а во внеклеточной, тканевой жидкости — около 11 литров воды.
Все клетки организма отделены от внеклеточной жидкости особой оболочкой — мембраной. Постоянство объема клеток— важное условие нормальной их жизнедеятельности. А это во многом зависит от общего количества веществ, растворенных как в самой клетке, так и в межклеточной жидкости. Если в этой жидкости уменьшается концентрация солей, то вода тотчас проникает в клетки, и они увеличиваются в объеме. Так создаются условия, препятствующие нормальной работе клетки.
Тканевая жидкость находится в непрерывном обмене с кровью, водно-солевой обмен которой регулируется в организме с особой точностью. С исключительным постоянством поддерживается суммарная (или осмотическая) концентрация всех растворенных в плазме крови частиц, характерный солевой состав крови, кислотно-щелочное равновесие, объем крови в сосудах. Неизменность осмотической концентрации крови в организме регулируется специальной системой. Начальным звеном, ее чувствительным аппаратом являются осморецепторы (так называют окончания нервных волокон специальных клеток, воспринимаюкцих изменения суммарной концентрации крови). Осморецепторы имеются в различных органах и тканях. Этой способностью обладают и нервные клетки гипоталамической области мозга — нейроны, которые находятся в одном из ее участков, известном под названием супраоптического ядра. По нервным проводникам к этим нейронам стекается информация об осмотической концентрации крови в различных органах и тканях.
При разбавлении крови водой (когда человек выпьет воду) осморецепторы набухают, «растягивается» покрывающая их оболочка. В конечном счете возникает сигнал о необходимости усилить выведение воды из организма. Если, наоборот, человек потерял много воды или в кровь поступил избыток солей, осморецепторы «сморщиваются», Это служит своеобразным сигналом: почки должны экономить воду; человек в это время ощущает жажду. Система осморегуляции очень чувствительна. Она реагирует на малейшие изменения осмотической концентрации крови.
В регуляции водного обмена участвуют различные отделы центральной нервной системы, но окончательные сигналы поступают в клетки супраоптического ядра. Обезвоживание организма активизирует деятельность этих нейронов. В них образуется особый гормон, который поступает в гипофиз, а затем выделяется в кровь и переносится к почкам. В результате увеличивается всасывание воды в почечных канальцах. Поскольку при этом мочеотделение (диурез) уменьшается, гормон получил название антидиуретического (АДГ). При нарушении хотя бы одного из звеньев системы регуляции водно-солевой обмен претерпевает значительные изменения. Если, к примеру, клетки супраоптического ядра теряют способность вырабатывать АДГ, почки начинают выделять до 20— 25 литров мочи в сутки. Человек вынужден пить огромное количество жидкости, чтобы поддерживать в организме нормальный водный баланс.
Какие же соли входят в состав крови и тканевой жидкости? Прежде всего соли натрия. Хорошо известно, что в водных растворах соли распадаются на частицы с положительным (катионы) и отрицательным (анионы) зарядами. В живых организмах почти во всех случаях главным катионом внеклеточных жидкостей является натрий, а анионами — хлориды и бикарбонаты. Напротив, в самих клетках в качестве катиона действует преимущественно калий. Содержание в крови каждого из катионов (натрия, калия, кальция и магния) и анионов (хлоридов, бикарбонатов, фосфатов и сульфатов) регулируется специальными физиологическими системами и поддерживается с высокой степенью точности.
Обычно в литре плазмы крови человека растворено 3,3 грамма натрия. При некоторых заболеваниях уровень натрия в плазме резко повышается и достигает 3,5-4 граммов в литре, Лечение в этих случаях основывается на введении достаточного количества воды и АДГ, чтобы удержать воду в организме. Снижение содержания натрия в плазме крови (гипонатриемия) сопровождается головной болью, апатией, потерей аппетита. Падение концентрации этого вещества ниже 2,3 грамма в литре несовместимо с жизнью. Однако чаще наблюдается не увеличение или уменьшение содержания натрия в крови, а возрастание его общего количества в организме и задержка вместе с солями натрия соответствующего объема воды. Как и почему натрий задерживает воду? Дело в том, что, когда в крови возрастает содержание солей натрия, вступает в действие система регуляции, и вода задерживается в организме. Так снова устанавливается нормальная концентрация натрия и суммарная осмотическая концентрация плазмы крови. При этом увеличивается объем жидкости, содержащей натрий, иными словами, объем внеклеточной жидкости.
На страже интересов организма стоит специальная служба регуляции объема внеклеточной жидкости. В принципе она включает в себя те же элементы, что и система осморегуляции. Чувствительные нервные клетки, воспринимающие изменение объема внеклеточной жидкости, находятся главным образом в стенках предсердий и некоторых артерий. Когда увеличивается приток крови, эти стенки растягиваются, рецепторы возбуждаются. В результате стимулируется поступление в кровь специального гормона, способствующего выделению почками из организма большого количества натрия. Одновременно рецепторы передают сигналы супраолтическому ядру; уменьшается секреция АДГ и увеличивается выделение воды.
Когда объем жидкости в организме уменьшен, активизируется секреция гормонов, способствующих экономии не только воды, но и натрия. В этом процессе важнейшую роль играет выделяемый надпочечниками гормон альдостерон. При падении содержания натрия в организме, обусловленном снижением объема крови, уменьшается растяжение стенок почечных сосудов — артериол. В кровь выделяется фермент ренин. Под его влиянием один из белков плазмы, ангиотензиноген, отщепляет высокоактивное вещество — ангиотензин, который, в свою очередь, стимулирует секрецию альдостерона корой надпочечника. Так регулируется водно-солевой обмен в организме человека.
Нормальные условия жизнедеятельности клеток предполагают наличие в крови определенной концентрации и других ионов. В плазме крови калия в 30 раз меньше, чем натрия. Два процента этого вещества растворены во внеклеточной жидкости, а остальные 98 процентов находятся в клетках. Как только в организм с пищей поступает избыток калия, он тотчас же усиленно выделяется почками. Это очень важно, потому что даже небольшое изменение концентрации калия в плазме крови чревато тяжелыми последствиями. Для выраженной недостаточности калия в организме характерна мышечная слабость, которая в некоторых случаях может прогрессировать и привести к мышечным параличам.
Столь же строго контролируются концентрация в крови и общий баланс кальция. В организме человека около одного килограмма этого вещества. Почти 98 процентов его входит в состав костей. В плазме крови концентрация кальция поддерживается на уровне 0,1 грамма в литре. Такое постоянство в высшей степени оправданно. Оно имеет большое значение для нормального течения различных физиологических процессов — возбудимости нервных клеток, проницаемости сосудов, свертывания крови. Так, снижение концентрации кальция в крови вызывает судороги. При длительной его недостаточности у детей развивается рахит. Не менее тяжкими проявлениями характеризуется повышение количества кальция в крови: вслед за непрерывной рвотой может наступить потеря сознания.
Основную роль в регуляции концентрации кальция в крови играет костная ткань, являющаяся своеобразным кальциевым депо организма. Если кальция в крови становится мало, усиливается секреция гормона паращитовидных желез. Этот гормон способствует освобождению солей кальция из костной ткани и переходу их в кровь. Напротив, повышение содержания кальция в крови активизирует деятельность щитовидной железы. Она выделяет особый гормон тиреокальцитонин, снижающий поступление кальция из костной ткани в кровь. Эти два гормона, обладающие противоположным действием, точно регулируют концентрацию кальция в крови. В общем балансе этого вещества немалую роль играют кишечник, почки, а также витамин D, при недостатке которого нарушается усвоение кальция.
Стабильность условий внутренней среды организма не в меньшей мере обеспечивается и регуляцией состава других катионов и анионов — магния, фосфатов, хлоридов, бикарбонатов, а также правильным соотношением между щелочами и кислотами. Ведь скорость биохимических реакций в клетке и даже само течение этих процессов во многом зависят от состояния кислотно-щелочного равновесия в организме. Большой интерес представляют также факторы, регулирующие солевой состав каждой из клеток. Специфика ионного состава — одна из наиболее примечательных черт живой клетки, а изменение движения ионов лежит в основе жизнедеятельности любой клетки — без него не может произойти возбуждение нервной, сокращение мышечной, работа секреторной клеток.
Вода и соли принимают активное участие во всех биохимических процессах, происходящих в теле животных и человека. Уникальные свойства воды предопределили ее роль в эволюции живой материи. Водно-солевой обмен с каждым годом привлекает с себе все больше внимания, его познание открывает не только новые возможности для выяснения причин болезненных явлений и их лечения, но и позволяет подойти к раскрытию основных закономерностей развития живой клетки и организмов.