浸透圧調節と排泄とは？

生物が生命機能を維持するためには、体液を一定の温度とpHに保ち、特定の溶質濃度を維持する必要があります。そのために、溶質と水分のバランスをとるのが浸透圧調節です。

浸透とは、水がイオン濃度の低い溶液から、イオン濃度の高い溶液に移動する傾向のことです。浸透圧は、半透膜で隔てられた溶液の分子濃度の違いに応じて生じます。

このような膜で隔てられた体液には、水、非電解質、電解質（水に溶けてイオンになる溶質）が含まれています。浸透圧平衡には、電解質と非電解質の両方が影響します。電解質も非電解質も浸透圧平衡に影響を与えるが、浸透圧に重要なのは大きさではなく溶質の数であるため、電解質の寄与がより大きいです。

電解質は水のように膜を通過して受動的に拡散することができず、促進拡散や能動輸送に頼っています。促進拡散では、タンパク質のチャネルが溶質を膜上に移動させます。逆に、能動輸送では、エネルギーを使ってイオンを濃度勾配に逆らって移動させます。

動物は食物を摂取すると、それを利用できない物質を体外に排泄します。自然界の排泄システムは、エネルギーの節約と水の節約というトレードオフの関係にあります。

体内の老廃物の中でも特に重要なのが窒素です。窒素は体内で最も重要な廃棄物の一つであり、過剰な窒素はアンモニアとなり、毒性があるため廃棄しなければなりません。アンモニアを直接排泄する動物もいれば、毒性の低い尿素や尿酸に変換して排泄する動物もいます。アンモニアの変換は、直接排泄するよりもエネルギーを必要としますが、その分、水を節約できます。

輸送上皮は、浸透圧調節と排泄を仲介することが多いです。これらの特殊な細胞は溶質を移動させ、昆虫のマルピーギアン細管、魚のエラ、脊椎動物の腎臓など、動物界全体の排泄器官に見られます。

通常、輸送上皮は大きな表面積を持つ管状のネットワークで構成され、水のバランスと老廃物の除去の両方を助けることが多いです。例えば、海鳥の中には鼻腺があり、血液中の塩分を除去して鼻孔から排泄することで、海水を摂取することができるものがあります。