23.5: Osmoregulacja u ryb

Komórki umieszczone w hipotonicznym (o niskiej zawartości soli) płynie mogą pęcznieć i pękać. Tymczasem komórki w roztworze hipertonicznym — o wyższym stężeniu soli — mogą kurczyć się i umrzeć. W jaki sposób komórki ryb unikają tych makabrycznych losów w hipotonicznym środowisku wody słodkiej lub hipertonicznej wodzie morskiej?

Ryby stosują strategie osmoregulacyjne, aby zrównoważyć poziom wody i rozpuszczonych jonów (tj. substancji rozpuszczonych), takich jak sód i chlorek w organizmie.

Wyobraźmy sobie dwa roztwory oddzielone membraną przepuszczającą wodę. Chociaż woda przepływa przez membranę w obu kierunkach, więcej wody przepływa (tj. następuje ruch wody netto) do roztworu o wyższym stężeniu substancji rozpuszczonej; jest to zasadnicza część osmozy.

Ryby utrzymują równowagę osmotyczną poprzez osmokonformację lub osmoregulację

Osmokonformery utrzymują wewnętrzne stężenie—substancji rozpuszczonej (lub osmolarność)—równe stężeniu w otoczeniu, dzięki czemu dobrze się rozwijają w środowiskach bez częstych wahań. Wszystkie osmokonformery to zwierzęta morskie, chociaż wiele zwierząt morskich nie jest osmokonformerami.

Większość ryb to osmoregulatory. Osmoregulatory utrzymują wewnętrzną osmolarność niezależnie od środowiska, dzięki czemu można je dostosować do zmieniającego się środowiska i przygotować do migracji.

Osmoregulacja wymaga energii

Osmoza ma tendencję do wyrównywania stężeń jonów. Ponieważ ryby wymagają poziomów jonów innych niż stężenia środowiskowe, potrzebują energii, aby utrzymać gradient substancji rozpuszczonej, który optymalizuje ich równowagę osmotyczną.

Energia wymagana do zachowania równowagi osmotycznej zależy od wielu czynników, w tym od różnicy między wewnętrznymi i zewnętrznymi stężeniami jonów. Gdy różnice osmolarności są minimalne, potrzeba mniej energii.

Alternatywne strategie osmotyczne

Płyny ustrojowe rekinów morskich i większości innych ryb chrzęstnych zawierają TMAO; umożliwia im to magazynowanie mocznika i wewnętrznie przewyższa zewnętrzną osmolarność, umożliwiając im wchłanianie wody poprzez osmozę.

Większość zwierząt to organizm stenohalinowy—który nie toleruje dużych zewnętrznych wahań osmolarności. Gatunki euryhalinowe, takie jak łosoś, mogą zmieniać status osmoregulacyjny. Kiedy łosoś migruje ze słodkiej wody do oceanu, przechodzi zmiany fizjologiczne, takie jak wytwarzanie większej ilości kortyzolu w celu wzrostu komórek wydzielających sól.

Większość ryb żyje w wodach słonych lub słodkich, ale nie może przetrwać w obu. Dzieje się tak, ponieważ ryby w tych dwóch środowiskach wyewoluowały różne sposoby równoważenia poziomu wody i jonów w swoich płynach ustrojowych. Zbyt dużo wody powoduje pęcznienie i pękanie komórek. Bez wystarczającej ilości wody komórki więdną i umierają. Jony są potrzebne do wspierania kluczowych funkcji życiowych, a także muszą być starannie zrównoważone.

Ryby utrzymują równowagę osmotyczną, regulację poziomu wody i jonów poprzez gradienty stężeń. Kiedy stężenie substancji rozpuszczonych lub rozpuszczonych substancji, takich jak jony, w otaczającej wodzie różni się od stężenia płynów ustrojowych, woda dostaje się lub wychodzi z organizmu. Ta pasywna dyfuzja przez membrany jest przykładem osmozy.

Ryby są albo osmokonformerami, albo osmoregulatorami. Ryby osmokonformiczne, takie jak rekiny, utrzymują wewnętrzną osmolarność równą lub nawet wyższą niż otaczająca woda. Dzięki temu zazwyczaj nie tracą wody. Muszą jednak nadal utrzymywać stężenia określonych substancji rozpuszczonych, które różnią się od tych w wodzie zewnętrznej.

Większość ryb jest osmoregulatorami i utrzymuje wewnętrzną osmolarność niezależnie od środowiska zewnętrznego. Większość ryb morskich traci wodę w wyniku osmozy, ponieważ wyższa osmolarność zewnętrzna odprowadza wodę z ich ciał. Te osmoregulatory piją zatem dużo wody morskiej i wydalają nadmiar jonów przez skrzela i zagęszczony mocz.

Ryby słodkowodne stoją przed innym wyzwaniem, ponieważ ich komórki wymagają wyższych stężeń jonów niż te znajdujące się w wodach słodkich. Osmoregulatory słodkowodne wchłaniają wodę poprzez osmozę, więc muszą wydalić nadmiar wody i uzupełnić jony. W związku z tym piją mało wody, wydalają rozcieńczony mocz i aktywnie pobierają jony.

Kilka gatunków ryb, takich jak łosoś, może faktycznie zmienić status osmoregulacyjny. Łososie przechodzą zmiany fizjologiczne podczas migracji ze słodkiej wody do oceanu, w tym aktywny transport jonów ze skrzeli i wydalanie zagęszczonego moczu.