第3节 体液调节与神经调节的关系
坐过山车时人体的反应,有些与神经系统的调节有关,有些与激素的调节有关。人和高等动物无论是对复杂环境的刺激及时作出各种反应,还是维持机体内各种机能间的协调统一,都既需要神经调节又需要体液调节。
体液调节与神经调节的比较
激素等化学物质,通过体液传送的方式对生命活动进行调节,称为体液调节。激素调节是体液调节的主要内容除激素外,其他一些化学物质,如组织胺、某些气体分子(NO、CO等)以及一些代谢产物(如CO2),也能作为体液因子对细胞、组织和器官的功能起调节作用。CO2是调节呼吸运动的重要体液因子。体液中CO2浓度变化会刺激相关感受器,从而通过神经系统对呼吸运动进行调节。
一些低等动物只有体液调节,没有神经调节,但在人和高等动物体内,体液调节和神经调节都是机体调节生命活动的重要方式,它们相辅相成,各具优势(表3-1)。
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临床上给患者输入O2时,往往采用含有5%左右的CO2的混合气体,以达到刺激呼吸中枢的目的。
体液调节和神经调节的协调
体液调节和神经调节的结构基础和作用方式都不一样,但二者并不是各行其道、互不相干的。它们是如何相互联系并彼此协调的呢?以下两个实例可以帮助你理解这一问题。
实例 1 :体温的调节
无论是酷热还是严寒,无论是静止还是运动,人的体温总能保持相对恒定,而这种恒定是人体产热和散热过程保持动态平衡的结果。
人体产热和散热的机制是怎样的?
代谢产热是机体热量的主要来源。在安静状态下,人体主要通过肝、脑等器官的活动提供热量;运动时,骨骼肌成为主要的产热器官。而皮肤是人体最主要的散热器官,皮肤散热主要通过辐射(如以红外线等形式将热量传到外界)、传导(机体热量直接传给同它接触的物体)、对流(通过气体来交换热量)以及蒸发(如汗液的蒸发)的方式进行。体温调节是通过调节上述器官的产热和散热实现的。
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人通过生理性调节(如排汗、血管的舒缩)和行为性调节(如使用空调、增减衣物)来维持体温相对稳定。其中,生理性调节是基本的调节方式,而行为性调节是重要的补充。这里主要讨论生理性调节过程。
人处在寒冷环境中时,散热会加快。那么,机体是如何保持体温恒定的呢?
人和高等动物皮肤中分布有感受温度变化的温度感受器,包括冷觉感受器和热觉感受器。在寒冷环境中,散热加快,当局部体温低于正常体温时,冷觉感受器受到刺激并产生兴奋,兴奋传递到下丘脑的体温调节中枢,通过中枢的分析、综合,再使有关神经兴奋,进而引起皮肤血管收缩,皮肤的血流量减少,散热量也相应减少。同时,汗腺的分泌量减少,蒸发散热也随之减少(图 3-8 )。
在减少热储散失的同时,机体还会主动增加产热。寒冷刺激使下丘脑的体温调节中枢兴奋后,可引起骨骼肌战栗,使产热增加。与此同时,相关神经兴奋后可以促进甲状腺激素、肾上腺素等激素的释放,使肝及其他组织细胞的代谢活动增强,增加产热。就这样,机体在寒冷环境中实现产热和散热的平衡,体温维持正常。这类通过神经影响激素的分泌,再由激素对机体功能实施调节的方式,称为神经—体液调节。
如果处在炎热环境中,人体又是如何维持体温稳定的呢?
在炎热的环境中时,皮肤中的热觉感受器兴奋,该兴奋传递至下丘脑的体温调节中枢,进而通过自主神经系统的调节和肾上腺等腺体的分泌,最终使皮肤的血管舒张,皮肤血流量增多,也使汗液的分泌增多等,从而增加散热。由此可见,体温调节是由神经调节和体液调节共同实现的(图3-9)。
人体调节体温的能力是有限的。人如果在寒冷的环境中停留过久,机体产生的热量不足以补偿散失的热量,体温就会降低;人如果在高温环境中停留过久,体内产生的热量不能及时散出,会导致体温升高。体温过低或过高都会影响物质代谢的正常进行,使细胞、组织和器官发生功能紊乱,破坏内环境稳态,严重时会危及生命。
实例2:水和无机盐平衡的调节
人体每天都要从饮食中获得水和各种无机盐,同时又要通过多种途径排出一定的水和无机盐。人体内水的来源是饮水、食物中所含有的水和代谢中产生的水;水的排出有四条途径(表 3-2),其中肾排尿是人体排出水的最主要途径。机体能够通过调节排尿最,使水的排出量与摄入量相适应,以保持机体的水平衡。人体内的无机盐有多种,而且大多以离子形式存在,如Na+、K+、Ca2+、Cl-、HCO3-等,下面仅以Na+为例进行说明。Na+的主要来源是食盐,几乎全部由小肠吸收,主要经肾随尿排出,排出量几乎等于摄入量。
Na+的浓度对于细胞外液渗透压的维持具有重要作用,机体对水和无机盐的调节,是基于保持细胞外液Na+浓度,即保持细胞外液渗透压不变。因此,水平衡和盐平衡的调节过程密切相关,通常称为渗透压调节,主要是通过肾完成的(图3-10)。
当人饮水不足或吃的食物过咸时,细胞外液渗透胀会升高,下丘脑中的渗透压感受器会受到刺激。这个刺激一方面传至大脑皮层,通过产生渴觉来直接调节水的摄入量;另一方面促使下丘脑分泌、垂体释放的抗利尿激素增加,从而促进肾小管和集合管对水分的重吸收,减少了尿量的排出,保留了体内的水分,使细胞外液的渗透压趋向于恢复正常(图3-11)。相反,当人饮水过多或盐分丢失过多而使细胞外液的渗透压下降时,对渗透压感受器的刺激减少,也就减少了抗利尿激素的分泌和释放,肾排出的水分就会增加,这样细胞外液的渗透压就恢复正常。
另外,当大量丢失水分使细胞外液量减少以及血钠含量降低时,肾上腺皮质增加分泌醛固酮,促进肾小管和集合管对Na+的重吸收,维持血钠含量的平衡。相反,当血钠含量升高时,则醛固酮的分泌量减少,其结果也是维持血钠含量的平衡。水和无机盐的平衡,是在神经调节和激素调节的共同作用下,通过调节尿量和尿的成分实现的。
水和无机盐的平衡,对于维持人体的稳态起着非常重要的作用,是人体各种生命活动正常进行的必要条件。当人剧烈运动、在高温条件下工作或患某些疾病(如剧烈呕吐、严重腹泻)时,都会丢失大量的水和无机盐(主要是钠盐)。这时如果不及时补充水和钠盐,机体细胞外液渗透压就会下降,而且还会出现血压下降、心率加快、四肢发冷等症状,严重的甚至昏迷。这时如果及时补充生理盐水,就可以缓解上述症状。人体每昼夜有35~50g的代谢废物必须要随尿液排出体外,而溶解这些代谢废物的最低尿量应在500mL以上。如果排出的尿量过少,代谢废物不能及时随尿液排出体外,就会引起中毒而损害健康。因此,人每天都要保证一定量的饮水。
人体除丢失水和Na+外,还会丢失K+。K+不仅在维持细胞内液的渗透压上起决定性作用,而且还具有维持心肌舒张、保持心肌正常兴奋等重要作用。蔬菜和水果中富含K+,只要保持合理膳食,就能满足机体的需要。
在人和高等动物体内,体液调节和神经调节的联系可概括为以下两个方面。一方面,不少内分泌腺直接或间接地受中枢神经系统的调节,在这种情况下,体液调节可以看作是神经调节的一个环节。例如,肾上腺髓质受交感神经支配,当交感神经兴奋时,肾上腺髓质分泌肾上腺素等激素,它们作用于靶细胞,使靶细胞产生相应的反应。另一方面,内分泌腺分泌的激素也可以影响神经系统的发育和功能,如人在幼年时缺乏甲状腺激素会影响脑的发育;成年时,甲状腺激素分泌不足会使神经系统的兴奋性降低,表现为头晕、反应迟钝、记忆力减退等症状。
总之,人和高等动物体的各项生命活动常常同时受神经和体液的调节。正是由于这两种调节方式的配合,各器官、系统的活动才能协调一致,内环境的稳态才得以维持,各项生命活动才能正常进行,机体才能适应环境的不断变化。