การรักษาดุลยภาพของสิ่งมีชีวิต

2.1 การรักษาดุลยภาพของพืช

ส่วนของพืชที่คายน้ำ

การคายน้ำเป็นการสูญเสียน้ำของพืชในรูปของไอน้ำโดยวิธีการแพร่ ร้อยละ 95 ของน้ำที่พืชดูดเข้ามาจะสูญเสียไปโดย การคายน้ำ การคายน้ำในพืชเกิดขึ้นที่ ปากใบ ( stoma ) ผิวใบ ( leaf surface ) และ ช่องอากาศ ( lenticel ) ประมาณกันว่า 80-90% ของการคายน้ำเกิดขึ้นที่ปากใบ

ปากใบของพืชประกอบด้วยช่งเล็กๆ ในเนื้อเยื่อชั้นแรกสุดของใบ ในแต่ละช่องล้อมรอบด้วย เซลล์คุม ( guard cell ) เป็นคู่ๆ มีรูแร่างคล้ายเมล์ดถั่วแดงประกบกัน ปากใบของพืชจะพบที่ด้านท้องของใบ ( ด้านล่างของใบที่ไม่ได้รับแสง ) มากกว่าด้านบนของใบ

ปากใบของพืช

การปิดเปิดของปากใบ 
การเปิดของปากใบขึ้นอยู่กับความเต่งของเซลล์คุม ในช่วงเวลากลางวัน เซลล์คุมซึ่งมีคลอโรพลาสต์อยู่ภายใน จะมีกระบวน การสังเคราะห์แสงเกิดขึ้น ทำให้ภายในเซลล์คุมมีระดับน้ำตาลสูงขึ้น

น้ำจากเซลล์ใกล้เคียงจะเกิดการออสโมซิสผ่านเข้า เซลล์คุม ทำให้เซลล์คุมอยู่ในสภาพเต่ง ปากใบจึงเปิด ทำให้เกิดช่องว่างตรงกลางซึ่งพืชสามารถคายน้ำออกมาทางปากใบ และ เมื่อระดับน้ำตาลลดลงเนื่องจากไม่มีกระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสง น้ำก็จะออสโมซิสออกจากเซลล์คุม หรือระดับที่พืช สูญเสียน้ำมาก จะทำให้เซลล์คุมมีลักษณัลีบลง ปากใบจึงปิด

การปิดเปิดของปากใบพืชมีผลต่อการคายน้ำของพืช ปากใบจึง เปรียบเสมือนประตูควบคุมปริมาณน้ำภายในต้นพืช 

ปากใบของพืชเปิด-ปิด

ปัจจัยที่มีอิทธิพลต่อการคายน้ำ

1.) แสงสว่าง ถ้ามีความเข้มข้นแสงมาก ปากใบจะเปิดได้กว้าง พืชจะคายน้ำได้มาก

2.) อุณหภูมิ เป็นปัจจัยทือิทธิพลควบคู่กับแสงสว่างเสมอ ถ้าอุณหภูมิในบรรยากาศสูง พืชจะคายน้ำได้มากและรวดเร็ว

3.) ความชื้นในบรรยากาศ ถ้าบรรยากาศมีความชื้นสูงจะคายน้ำได้น้อย พืชบางชนิดจะกำจัดน้ำออกมาในรูปของหยดน้ำ ทางรูเปิดเล็กๆ ตามรูเปิดของเส้นใบ เรียกว่า การคายน้ำเป็นหยดหรือ กัตเตชัน ( guttation ) และถ้าในบรรยากาศมี ความชื้นน้อย พืชจะคายน้ำได้มากและรวดเร็ว

 

การคายน้ำ

4.) ลม ลมจะพัดพาเอาความชื้นของพืชไปที่อื่น เป็นสาเหตุให้พืชสูญเสียน้ำมากขึ้น ในภาวะที่ลมสงบไอน้ำที่ระเหยออกไปจะ คงอยูในบรรยากาศใกล้ๆ ใบ บรรยากาศจึงมีความชื้นสูงพืชจะคายน้ำได้ลดลง แต่ถ้าลมพัดแรงมากพืชจะปิดหรือหร่แคบลง มีผลทำให้การคายน้ำลดลง

5.) ปริมาณน้ำในดิน ถ้าสภาพดินขาดน้ำ หรือปริมาณน้ำในดินน้อย พืชไม่สามารถนำไปใช้ได้เพียงพอ ปากใบของพืชจะปิด หรือแคบหรี่ลง มีผลทำให้การคายน้ำลดลง

6.) โครงสร้างของใบ ตำแหน่ง จำนวน และการกระจายของปากใบ รวมถึงความหนาของคิวมิเคิล ( สารเคลือบผิวใบ ) ลักษณะเหล่านี้มีผลต่อการคายน้ำของพืช

การรักษาดุลยภาพของสัตว์

ปลาน้ำจืด จึงพยายามไม่ดื่มน้ำและไม่ให้น้ำซึมเข้าทางผิวหนังหรือเกล็ด แต่ปลายังมีบริเซณที่น้ำสามารถ ซึมเข้า ไปได้ คือ บริเวณเหงือกซึ่งสัมผัสกับน้ำตลอดเวลา ดังนั้นปลาจึงต้องขับน้ำออกทางไตเป็นน้ำปัสสาวะ ซึ่งเจือจาง และมี ปริมาณมาก และปลาจะมีเซลล์สำหรับดูดซับเกลือ ( salt absorbing cells ) อยู่ที่เยื่อบุผิวของเหงือก ซึงจะ ดูดซับเอาไอออนของเกลือจากน้ำเข้าไปในเลือด ซึ่งจะเป็นการทดแทนเกลือแร่ที่สูญเสียไปจากการแพร่ออก 

ส่วนปลาทะเล จะมีลักษณะตรงข้าม คือ ปริมาณน้ำภายในร่างกายเจือจางกว่าน้ำภายนอกร่างกาย เมื่อกินอาหารจึง กินน้ำทะเลเข้าไปด้วย ทำให้มีเกลือแร่ในร่างกายมาก ดังนั้นเกล็ดและผิวหนัง แทนที่จะป้องกันการซึมของน้ำกลับ ป้องกันเกลือแร่จากน้ำทะเลซึมเข้าสู่ร่างกาย ส่วนเหงือก จะทำหน้าที่ขับเกลือที่มากเกินความจำเป็น ออกจากตัวด้วย กระบวนการแอกทีฟทรานสปอร์ต ส่วนเกลือแร่ที่ติดกับอาหารเข้าไปด้วยจะไม่ถูกดูดซึมเข้าสู่เซลล์ในขณะย่อย

อาหาร จึงออกนอกร่างกายทางอุจจาระ ปลาบางพวกมีการปรับตัวและมีวิวัฒนาการเกี่ยวกับ ต่อมเกลือ (salt gland) ได้ดี จึงสามารถอยู่ได้ทั้งในน้ำทะเล น้ำกร่อย และน้ำจืด เช่น ปลาหมอเทศ ในขณะที่ปลาส่วนใหญ่ถ้าเปลี่ยนน้ำก็ อาจตายได้
ในสัตว์พวกที่มีแหล่งหากินในทะเล แต่ไม่ได้อาศัยอยู่ในทะเล จะมีต่อมขจัดเกลือออกจากร่างกาย เช่น พวกนกทะเล จะมี ต่อมเกลือ ( salt gland ) อยู่บริเวณเหนือตาทั้งสองข้าง เป้นต้น

ต่อมเกลือ ( salt gland ) ในนกทะเล

กลไกการรักษาดุลยภาพ

การควบคุมสภาวะกรด-ด่าง หลักๆในร่างกาย มีกลไกลทางสรีรวิทยาอยู่ 3 แบบคือ --ทางเคมี --ทางการหายใจ และทางไต

1. การควบคุมภาวะกรด – ด่างด้วยวิธีทางเคมี (chemical regulation of acid – base balane)

หรือเรียกอีกอย่างหนึ่งว่า บัฟเฟอริง (buffering) ระบบบัฟเฟอร์ (บัฟเฟอร์คือสารละลายกรดอ่อนหรือด่างอ่อนซึ่งสามารถลดการเปลี่ยนแปลงของ pH ในภาวะที่ได้รับกรดหรือด่างได้ ทำให้ pH เปลี่ยนแปลงไม่มาก เหมือนกับที่พบในการเติมกรดหรือด่างลงไปในน้ำเปล่า) จะป้องกันการเปลี่ยนแปลงความเป็นกรด – ด่างของร่างกายไม่ให้รวดเร็วเกินไปกรด – เบส บัฟเฟอร์ ประกอบด้วยกรดอ่อนและด่างอ่อน เป็นคู่ๆ ซึ่งจะ แตกตัว(Ionized) ได้เกลือของกรด หรือด่างอย่างเดียวกัน ทำให้กรดแก่ หรือ ด่างแก่เจือจางลง

เลือดและของเหลวในเนื้อเยื่อประกอบด้วยสารเคมีเรียกว่า บัฟเฟอร์ ซึ่งจะทำปฏิกิริยากันโดยการเพิ่มกรดหรือด่างเข้าไปเพื่อจะเปลี่ยนปฏิกริยาหรือ pH ให้มีความเป็นกรดหรือด่างน้อยลงบัพเฟอร์เป็นเกลือซึ่งเป็นสัดส่วนของด่างแก่กับกรดอ่อน และบัพเฟอร์ที่สำคัญในเลือด คือ ไบคาร์บอเนต ฮีโมโกลบิน และ พลาสมาโปรตีน นอกจากนี้ยังมีฟอสเฟตซึ่งเป็นส่วนสำคัญในการปรับค่ากรด - ด่างในน้ำปัสสาวะ ดังได้กล่าวมาแล้วว่า กรดแก่จะให้ไฮโดรเจนไอออนมากในสารละลาย กรดอ่อนจะให้น้อยลง ถ้ากรดแก่ถูกรวมกับบัฟเฟอร์ก็จะเกิดเป็นเกลือกับกรดอ่อนขึ้น ซึ่งจะแตกตัวให้ไฮโดรเจนไอออนที่มีความเข้มข้นน้อยลงหรืออีกนัยหนึ่งก็คือกรดแก่ได้ถูกบัพเฟอร์ไปแล้ว

โซเดียมไบคาร์บอเนตซึ่งจะมีอยู่ในเลือดจะบัฟเฟอร์กับอนุพันธ์กรดได้ เช่น แลคเทต (lactate)ฟอตเฟต และซัลเฟต ซึ่งมีความเป็นกรดแก่มากกว่าคาร์บอเนตส่วน กรดคาร์บอนิก (H2CO3)เป็นกรดอ่อนและจะให้ไฮโดรเจนไอออนจำนวนน้อย เมื่ออยู่ในสารละลายฮีโมโกลบิน และพลาสมา โปรตีนก็ทำหน้าที่เป็นบัพเฟอร์ไ ด้เช่นเดียวกัน

ความเป็นกรดที่เพิ่มขึ้นของน้ำในเนื้อเยื่อ โดยการเมแทบอลิซึมของเซลล์จะถูกบัพเฟอร์และขับออกไปได้หลายๆทาง เช่น กรดแลกติก ซึ่งเกิดจากการหดตัวของกล้ามเนื้อจะถูกเปลี่ยนกลับเป็นไกลโครเจนในตับ เป็นต้น ส่วนฟอสเฟต ซัลเฟต และคลอไร ด์ จะถูกขับออกทางไต คาร์บอนไดออกไซด์ ซึ่งผลิตจากเซลล์อยู่ตลอดเวลาจะถูกขับออกทางปอด ซึ่งจะทำให้การควบคุมภาวะสมดุล กรด - ด่าง เป็นไปได้อย่างรวดเร็วขึ้น

2. การควบคุมภาวะสมดุลกรด - ด่างโดยการหายใจ (respiratory regulation)

คาร์บอนไดออกไซด์ จะรวมกับน้ำได้เป็นกรดคาร์บอนิก ซึ่งเป็นกรดอ่อน
ดังสมการ CO2 +H2O -----> H2CO3

แม้ว่า H2CO3 จะแตกตัวได้ง่ายและให้ไฮรโดรเจนไอออนจำนวนน้อยก็ตาม แต่ก็มีอยู่เป็นปริมาณมากในร่างกาย จึงทำให้เกิดภาวะกรดได้มากเช่นเดียวกัน ดังนั้น คาร์บอนไดออกไซด์ที่ได้ออกมาจะถูกขับออกอย่างรวดเร็ว โดยการเพิ่มอัตราการหายใจ ดังนั้นกรดคาร์บอนิกซึ่งเป็นตัวทำให้เกิดไฮโดรเจนไอออนในเลือด ก็จะถูกกำจัดออกไปได้อย่างรวดเร็ว ศูนย์ควบคุมการหายใจในเมดัลลา จะมีความไวมากต่อคาร์บอนไดออกไซด์และความเป็นกรดของเลือด ถ้ามีการเพิ่มขึ้นของอย่างใดอย่างหนึ่ง หรือทั้งสองอย่างก็จะทำให้มีการหายใจเพิ่มขึ้นเพื่อจะทำให้กลับเข้าสู่ภาวะปกติได้เร็วขึ้น

3. การควบคุมโดยไต (excretion by kidney) แม้ว่าไตจะช่วยการปรับภาวะกรด - ด่าง ได้ไม่รวดเร็วเท่ากับบัฟเฟอร์ของเลือดและการหายใจก็ตาม แต่การปรับทางไตก็เป็นกลไกสำคัญในการรักษาภาวะสมดุลของกรด - ด่างของร่างกายได้อย่างมีประสิทธิ์ภาพมากที่สุด

ไตจะสามารถควบคุม กรด - ด่าง โดยระบบบัฟเฟอร์ โดยการขับแอมโมเนียซึ่งมีอยู่ 3 วิธี ในการที่จะช่วยรักษา pH ของน้ำภายนอกเซลล์ไว้ได้ ดังนี้ คือ

1. ไตจะขับ HCO3-

2. โดยการแลกเปลี่ยน Na+ กับ H+ โซเดียมไอออนจะถูกดึงกลับในท่อไตซึ่งจะแลกกลับ H+ และ H+ จะถูกขับออกทางปัสสาวะซึ่งเป็นกรด ดังนั้นน้ำภายนอกเซลล์จะมีความเป็นกรดน้อยลง

3. ไตจะสามารถสร้างแอมโมเนียได้ซึ่งเมื่อรวมกับ H + ได้เป็นแอมโมเนียไอออนในท่อไต ร่างกายจะมีแนวโน้มที่จะเกิดกรดได้ค่อนข้างมาก เพราะมีการคั่งของคาร์บอนไดออกไซด์ และมีการคั่งของของเสียจากเมแทบอลิซึม นอกจากนี้ภาวะกรดอาจเกิดจากการขาดอาหารหรือ เบาหวานก็ได้ เนื่องจากการนำเอาไขมันมาใช้กรดจะถูกทำให้เจือจางลงโดยบัฟเฟอร์ ที่อยู่ในเลือดและของเหลว ในเซลล์หรือมีการเพิ่มอัตราและความลึกของการหายใจ ซึ่งจะขับคาร์บอนไดออกไซด์ออกไปจากเลือด และท้ายสุดก็มีการขับกรดออกไปทางปัสสาวะโดยไตจนทำให้กลับคืนสู่ภาวะปกติ

ภาวะเป็นด่างพบได้ค่อนข้างน้อย แต่อาจเกิดได้ถ้ามีการสียกรดจากกระเพาะอาหาร ในการอาเจียน หรือจากการกินอาหาร หรือยาที่เป็นด่าง เช่น การกินยาเคลือบกระเพาะ ในการรักษาโรคกระเพาะ เป็นต้น กลไกของระบบบัฟเฟอร์ จะทำงานตรงกันข้ามกับภาวะเป็นกรด คือ การหายใจก็จะถูกกด คาร์บอนไดออกไซด์ก็จะคั่ง และไฮโดรเจนไอออนก็จะเพิ่มขึ้น ไตก็จะขับปัสสาวะที่เป็นด่างออก ร่างกายก็จะกลับคืนเข้าสู่ภาวะปกติ

ในคนที่มีสุขภาพแข็งแรง กลไกของบัฟเฟอร์ทั้งสองชนิด นี้ ก็จะทำงานอย่างมีประสิทธิภาพ และรวดเร็วจะไม่ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลง pH ของเลือดและของเหลวในเนื้อเยื่อจากปกติ คือ pH 7.4 แต่ในคนที่เป็นโรค การเปลี่ยนแปลงอย่างรุนแรงจะเกิดขึ้นได้ และสามารถที่จะทำให้เป็นอันตรายถึงตายได้ ถ้าไม่มีการแก้ไข และรักษาไว้ทันท่วงที