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生物 浸透圧 計算 4

Poll Options are limited because JavaScript is disabled in your browser. 浸透圧の主役は物質量ではなく圧力なので単位はモルではありません。 化学の計算問題では通常は等しい物質量について計算式を立てていくのですが、 ここでは例外的に解法を教科書などのように状態方程式を利用した普通の解法に変えて説 … 2020/5/16 その膜があるおかげで細胞の形を保つという重要な役割を果たしているのです。植物における細胞壁は全透膜で形成されています。, 半透膜の構造が分かったところで、それでは浸透圧が生じる仕組みについて説明しましょう。, 繰り返しになりますが、浸透圧は半透膜で仕切られた2つの部屋に入った液体の濃度が異なるときに発生する力ですので、半透膜があれば細胞でなくても生み出すことができます。, 水の粒子は半透膜の隙間よりも小さく、左右の部屋を行き来することができるため、濃度は同じになります。この状態では浸透圧は発生しません。, 続いて、右側に水の粒子よりも大きい粒子の溶質(例えば塩など)を入れた時について説明します。, 半透膜にあいた穴は、水の粒子は通しますが、大きい粒子は通ることができません。穴を通れない大きな粒子は、その穴をふさいでしまいます。, そのため、右から左に移動する水の粒の数は、左から右に移動する水の数よりも少なくなります。粒子の移動に偏りができたため、水は左から右に流れます。, 浸透圧の仕組みが分かったところで、浸透圧が起きた場合の溶液の呼び方がありますので、こちらも覚えておきましょう。ここでは、例として、蒸留水と塩化ナトリウム溶液を比較します。, 溶液の呼び方について説明をしましたが、それぞれの溶液の場合に浸透圧はどうなるのか、整理してみましょう。, 色々な言葉があり混乱しますが、ポイントは細胞の浸透圧は、「水を引き込む力」であることです。, 細胞の浸透圧よりも、外液の浸透圧が大きい状態ではどのような変化がおこるでしょうか。, この状態は、野菜を塩漬けにした状態と考えるとイメージがしやすいです。野菜を塩漬けにすると、シナシナになっていきます。, 細胞も同じように、水分が抜けて細胞は小さくなっていきます。浸透圧は水を引き込む力ですので、細胞の浸透圧は高張液に入れる前に比べて大きくなります。, 細胞の浸透圧が、外液の浸透圧よりも大きい状態ではどのような変化がおこるでしょうか。, この状態は、野菜を水漬けた状態と考えるとイメージがしやすいです。野菜を水に漬けると、水に漬ける前よりも水を吸ってシャキシャキになっていきます。, 細胞も同じように、水分を吸って大きくなっています。浸透圧は水を引き込む力ですので、細胞の浸透圧は低張液に入れる前に比べて小さくなります。, 体積との関係が反対なので、戸惑うかもしれませんが、困ったら「水を引き込む力」と思い出してください。, 浸透圧が発生すると「水を引き込む力」のため、体積が変化しますが、動物細胞と植物細胞で発生する現象が異なります。, ・細胞壁は硬いのであまり変化しないのに対し、細胞膜は縮んでしまうため細胞膜と細胞壁の間に隙間ができます。これを原形質分離とよびます。, ・動物細胞は水を吸収しますが、一定量を超えると細胞膜は膨張に耐えられなくなり破裂して細胞質が外に出てしまいます。これを原形質吐出とよびます。, ・植物細胞は水を吸収しますが、動物細胞と違って細胞壁があるので同じように破裂はしません。理由は細胞壁が硬いためです。, ・植物細胞は細胞膜と細胞壁の間に隙間ができそうできない、原形質分離を起こす寸前の状態です。この状態を限界原形質分離とよびます。, 初めは見慣れない言葉も多く、悩むことも多いかもしれませんが、図やポイント、イメージを抑えるだけでも理解がしやすくなると思います。, 授業が分からなくなったり、問題を解いていて「あれ?」と思ったときは、このページで復習してくださいね!, 細胞・細胞分裂についてのまとめ記事が読みたいという方は「細胞・細胞膜の働きの勉強に役立つ記事まとめ!構造や働きまで網羅」も併せてお読みください。, 受験のミカタでは、読者の皆様により有益な情報を届けるため、中高生の学習事情についてのアンケート調査を行っています。今回はアンケートに答えてくれた方から20名様に勉強に役立つ文房具5点セットをプレゼントいたします。, 「受験のミカタ」は、難関大学在学中の大学生ライターが中心となり運営している、高校生のための「受験応援メディア」です。, このWEBサイトに掲載されている文章・映像・画像等の著作権は受験のミカタおよび株式会社パンタグラフに帰属しています。 OpenStax のサイトで公開されている教科書“ Biology 2e”の翻訳です。こちらのページから各章へ移動できます。, 41.1:浸透圧調節と浸透圧平衡41.2:腎臓および浸透圧調節の器官41.3:排泄系41.4:窒素性廃棄物41.5:浸透圧調節機能のホルモン制御, 人間の水の消費についての1日の推奨摂取量は、コップ8~10杯です。健康的なバランスを達成するためには、人体は毎日8~10杯の水を排出するべきです。これは、排尿、排便、発汗、そしてわずかな程度ではありますが呼吸のプロセスを経て起こります。人体の器官や組織は、一定の温度、pH、溶質濃度(すべて恒常性の重要な要素)に保たれている液体に浸されています。体液中の溶質は主として無機塩と糖であり、浸透圧調節はこの無機塩と水分の平衡を保つプロセスです。浸透圧の恒常性は、気温、食事、気象状態などの外的要因の影響を受けるにもかかわらず、維持されます。, この節が終わるまでに、あなたは次のことができるようになります:•浸透を定義し、分子内でのその役割を説明する•浸透圧調節と浸透圧平衡が重要な身体機能である理由を説明する•能動輸送メカニズムを記述する•オスモル濃度とそれが測定される方法を説明する•浸透圧調節動物または浸透圧順応動物、およびこれらの動物の道具立てがどのようにして動物をさまざまな環境に適応させるかを記述する, 浸透とは、膜の両側の分子の不均衡によって引き起こされる浸透圧に反応して、水が膜を横切って拡散することです。浸透圧調節は、体液(水分と、電解質および非電解質とからなります)内で膜を横切る塩分および水分の平衡(浸透圧平衡)を維持するプロセスです。電解質は水に溶解するとイオンに解離する溶質です。対照的に、非電解質は水へ溶解してもイオンに解離しません。電解質も非電解質も浸透圧平衡に寄与します。体液には、血漿、細胞内のサイトゾル、間質液(体の細胞と組織の間の空間に存在する液体)が含まれます。体の膜(側膜、漿膜、細胞膜など)は半透膜です。半透膜は、特定の種類の溶質および水に対して透過性(または許容性)があります。半透膜の両側の溶液は、膜を横切る溶質および/または水の移動によって、溶質濃度を均一にする傾向があります。図41.2に見られるように、水中に置かれた細胞は、低張環境または「低塩」環境からの水分の獲得のために膨張する傾向があります。他方、より高い塩分濃度を有する溶液中に置かれた細胞は、高張環境または「高塩」環境への水分の損失のために、膜がしわになる傾向があります。等張性の細胞は、細胞の内側と外側に等しい濃度の溶質を持っています。これにより、半透膜である細胞膜の両側の浸透圧が等しくなります。, 体は孤立して存在しているわけではありません。その系へは、一定的な水と電解質の入力があります。浸透圧調節が体内の膜を横切って達成されている一方で、過剰な電解質および廃棄物は腎臓に輸送されて排泄され、浸透圧平衡を維持するのを助けます。, 生物学的な系は、食物と水の摂取を通じて、そして汗、尿、および糞便の形での排泄を通じて、水分と栄養素を交換して絶えず環境と相互作用します。浸透圧を調節するメカニズムがない場合、または病気がそのメカニズムを損なう場合、有害な廃棄物および水分を蓄積する傾向があらわれ、それは悲惨な結果をもたらす可能性があります。, 哺乳動物の系は、膜を横切る全体の浸透圧だけでなく、血漿、細胞外液、および細胞内液という3つの主要な体液区分における重要な電解質の特定の濃度も調節するように進化してきました。浸透圧は膜を横切る水の移動によって調節されるので、3つの体液区分の容積も一時的に変化することがあります。血漿は体液区分の1つであるため、浸透圧は血圧に直接影響します。, 塩化ナトリウムなどの電解質は水中でイオン化します。つまり、電解質はそれらの成分イオンに解離します。水中では、塩化ナトリウム(NaCl)はナトリウムイオン(Na⁺)と塩素イオン(Cl⁻)に解離します。体液中で濃度が非常に厳密に調節されている最も重要なイオンは、カチオンのナトリウムイオン(Na⁺)、カリウムイオン(K⁺)、カルシウムイオン(Ca⁺²)、マグネシウムイオン(Mg⁺²)、および、アニオンの塩素イオン(Cl⁻)、炭酸イオン(CO₃⁻²)、炭酸水素イオン(HCO₃⁻)、およびリン酸イオン(PO₃⁻)です。電解質は排尿や発汗の間に体から失われます。この理由のために、運動選手は、増大する活動と発汗の際には電解質と体液を置き換えることが奨励されています。, 浸透圧は溶液中の溶質の濃度に影響されます。それは溶質原子または分子の数に正比例し、溶質分子のサイズには依存しません。電解質はその成分イオンへと解離するため、それらは、本質的には、グルコースのように水中で解離しない化合物よりも、質量あたりでより多くの溶質粒子を溶液に加え、そして浸透圧に対してより大きな影響を与えます。, 水は受動拡散によって膜を通過することができます。もし電解質イオンが膜を横切って受動的に拡散するならば、それぞれの体液区分内で特定のイオン濃度を維持することは不可能です。したがって、それらは体内の半透膜を横切るための特別な機構を必要とします。この移動は、促進拡散および能動輸送によって達成することができます。促進拡散は、溶質を移動させるためのタンパク質ベースのチャネルを必要とします。能動輸送は、イオンを濃度勾配に逆らって移動させるために、ATP変換、担体タンパク質、またはポンプの形態のエネルギーを必要とします。, 浸透圧を計算するためには、溶質濃度の測定方法を理解する必要があります。溶質の測定単位はモルです。1モルはその溶質のグラム分子量として定義されます。たとえば、塩化ナトリウムの分子量は58.44です。したがって、1モルの塩化ナトリウムの重量は58.44グラムです。溶液のモル濃度は、溶液1リットルあたりの溶質のモル数です。溶液の重量モル濃度は、溶媒1キログラムあたりの溶質のモル数です。もし溶媒が水の場合、水1キログラムは水1リットルに相当します。モル濃度と重量モル濃度が溶液の濃度を表すのに使われる一方で、電解質濃度は通常1リットルあたりのミリ当量(mEq/L)で表されます:mEq/Lはイオン濃度(ミリモル)に対して、イオンにある電荷の数を掛けたものに等しいです。ミリ当量の単位は、溶液中に存在するイオン(電解質は水溶液中でイオンを形成するので)、およびイオンにある電荷を考慮に入れます。, したがって、1の電荷を有するイオンについて、1ミリ当量は1ミリモルに等しいです。カルシウムのように2の電荷を有するイオンの場合、1ミリ当量は0.5ミリモルに等しいです。電解質濃度を表すもう1つの単位はミリオスモル(mOsm)であり、これは溶媒1キログラムあたりの溶質のミリ当量の数です。体液は通常280~300mOsmの範囲内に維持されています。, 飲むことができる淡水を持たずに海で漂流している人は、重度の脱水症の危険があります。なぜなら、人間の体は、体液と比較して高張性である海水を飲むようには適応できていないからです。金魚のように比較的狭い範囲の塩分にしか耐えることができない生物は、狭塩性と呼ばれています。すべての硬骨魚類の約90%は淡水か海水のどちらかに制限されています。それらは反対の環境では浸透圧調節ができません。しかしながら、サケのようないくつかの魚類は、その生涯の一部を淡水で、一部を海水で過ごすことが可能です。比較的広い範囲の塩分に耐えることができるサケやモーリーのような生物は、広塩性生物と呼ばれています。これは、一部の魚類があらゆる種類の水中環境で生き残るために浸透圧調節メカニズムを進化させてきたために可能となっています。それらが淡水に住んでいるときには、図41.3aに示されるように、環境が比較的低張性であるため、それらの体は水を取り込む傾向があります。このような低張環境では、これらの魚は水をあまり飲みません。代わりに、それらは非常に希薄な尿をたくさん排出するとともに、えらを通して塩分を能動的に輸送することによって電解質バランスを達成します。高張性の海洋環境に移動すると、これらの魚類は海水を飲み始めます。図41.3bに示されるように、それらはえらと尿を通じて過剰な塩分を排出します。一方、ほとんどの海洋性無脊椎動物は海水と等張であるでしょう(浸透圧順応動物)。それらの体液濃度は海水濃度の変化と一致します。軟骨魚類の血液の塩分成分は硬骨魚類に似ています。しかしながら、サメの血液には有機化合物の尿素とトリメチルアミンオキシド(TMAO)が含まれています。これは、それらの電解質組成が海水の組成と類似していることを意味するものではありません。それらは、高濃度の尿素を貯蔵することによって海水との等張性を達成します。尿素を分泌するこれらの動物は、尿素排出動物と呼ばれます。TMAOは、高い尿素レベルの存在下でタンパク質を安定化させ、同レベルの尿素にさらされた他の動物で起こるであろうペプチド結合の破壊を防ぎます。サメは直腸腺を持つ軟骨魚で、塩分を分泌して浸透圧調節を助けます。, 透析は、拡散と限外濾過によって血液から廃棄物と余分な水分を除去する医療プロセスです。腎機能が機能しなくなった場合、人工的に体から廃棄物を取り除くために透析を行わなければなりません。これは患者を生存させるために不可欠なプロセスです。一部の事例では、患者は腎臓移植に適格となるまで人工透析を受けます。腎移植の候補者ではない他の人では、透析は生涯にわたって必要となります。, 透析技師は通常、病院や診療所で働いています。この分野におけるいくつかの役割には機器の開発および保守が含まれますが、ほとんどの透析技師は患者の直接の治療に従事しています。彼らの職務上の責務は、通常は登録看護師の直接監督の下に行われるものであり、透析治療の提供に焦点が置かれています。これには、患者の病歴および現在の状態を見直すこと、治療の前および最中における患者のニーズを評価して対応すること、ならびに透析プロセスを監視することが含まれます。治療には、患者のバイタルサインを記録して報告することと、正確で無菌の手順でもって溶液および機器を準備することが含まれます。, この節が終わるまでに、あなたは次のことができるようになります:•腎臓が哺乳類の系における主要な浸透圧調節の器官としてどのように機能するかを説明する•腎臓の構造と腎臓の各部の機能を記述する•ネフロンがどのようにして腎臓の機能単位であるかを記述し、それが能動的に血液を濾過して尿を生成する方法を説明する•尿の形成における3つのステップ:糸球体濾過、尿細管再吸収、尿細管分泌を詳述する, 腎臓が主要な浸透圧調節器官ではありますが、皮膚や肺もそのプロセスの中で役割を果たしています。水分と電解質は皮膚の汗腺を通して失われます。それは皮膚表面を保湿し、冷やすのを助けます。一方で、肺は粘液分泌物の形で、そして水蒸気の蒸発を通して少量の水を排出します。, 図41.4に示されるように、腎臓とは、腹腔内の肝臓のすぐ下で後部に位置する一対の豆のような形状をした構造です。副腎はそれぞれの腎臓の上に位置します。腎臓は血液を濾過して浄化します。人体内の血液はすべて腎臓によって1日に何度も濾過されています。これらの器官は、この機能を果たすために肺を通じて吸収された酸素のほぼ25%を使い果たします。酸素は、腎臓細胞が好気呼吸を通じてATPの形で化学エネルギーを効率的に製造することを可能にします。腎臓から出てくる濾液は尿と呼ばれます。, 図41.5に示されるように、外部的には、腎臓は3つの層によって囲まれています。最外層は強固な結合組織層で、腎臓筋膜と呼ばれます。2番目の層は腎周囲脂肪被膜と呼ばれ、腎臓を所定の位置に固定するのに役立ちます。最も内側の3番目の層は腎被膜です。内部的には、腎臓は3つの領域 — 外側の皮質、中央の髄質、および腎臓の門と呼ばれる領域の腎盂 — を持っています。門は、豆の形状のへこんだ部分であり、そこから血管や神経が腎臓に出入りします。それはまた、尿管のための出口でもあります。腎皮質は、腎臓の機能単位であるネフロンの存在のために粒状になっています。髄質は、腎錐体と呼ばれる複数の錐体状の組織の塊からなります。錐体の間には腎柱と呼ばれる空間があり、血管がそこを通っています。腎乳頭と呼ばれる錐体の先端は、腎盂のほうを向いています。それぞれの腎臓には、平均して8つの腎錐体があります。腎錐体と隣接する皮質領域は、あわせて腎葉と呼ばれます。腎盂は腎臓の外側の尿管につながっています。腎臓の内側では、腎盂が2つまたは3つの大腎杯と呼ばれる拡張部に分岐し、さらにそれが小腎杯に分岐します。尿管は、腎臓から出て膀胱内へと排出される尿を保持する管です。, 腎臓についての次の記述のうち、間違っているものはどれですか?a.腎盂は尿管へと排出する。b.腎錐体は髄質の中にある。c.皮質が被膜を覆っている。d.ネフロンは腎皮質の中にある。, 腎臓は血液を濾過するため、その血管ネットワークは腎臓の構造と機能における重要な構成要素です。腎臓に必要なものを供給する動脈、静脈、神経は、腎門において出入りします。腎臓の血液供給は、大動脈が腎動脈(それらが通過する腎臓の領域に基づいてそれぞれ名前が付けられています)に分岐することで始まり、下大静脈に合流するために腎静脈から出ることで終わります。腎動脈は腎臓に入るといくつかの区動脈に分裂します。それぞれの区動脈はさらにいくつかの葉間動脈に分裂し、腎柱に入って血液を腎葉に供給します。葉間動脈は腎皮質と髄質の接合部で分裂して弓状動脈を形成します。「弓の形をした」弓状動脈は、髄質錐体の基部に沿って円弧を形成しています。皮質放射状動脈は、その名前が示すように、弓状動脈から放射状に広がります。皮質放射状動脈は多数の輸入細動脈に分岐し、次にネフロンに血液を供給する毛細血管に入ります。静脈は動脈の経路をたどり、区静脈がないことを除いて同様の名前を持っています。, 前述のように、腎臓の機能単位はネフロンです(図41.6を参照)。それぞれの腎臓は、腎皮質に点在する100万を超えるネフロンで構成されており、矢状に切断したときに粒状の外観を呈します。腎皮質の奥深くにある皮質ネフロン(85%)と、腎髄質の近くの腎皮質にある傍髄質ネフロン(15%)という、2種類のネフロンがあります。ネフロンは3つの部分で構成されています — 腎小体、尿細管、そして皮質放射状動脈に由来する付随毛細血管網です。, ネフロンについての次の記述のうち、間違っているものはどれですか?a.集合管は遠位尿細管内へと排出する。b.ボーマン嚢は糸球体を取り囲んでいる。c.ヘンレのループは近位尿細管と遠位尿細管の間にある。d.ヘンレのループは遠位尿細管へと排出する。, 腎皮質内に位置する腎小体は、糸球体として知られる毛細血管のネットワークと、ボーマン嚢と呼ばれるそれを囲むカップ形の区画である嚢とで構成されています。, 尿細管は、糸球体から発出する長く曲がりくねった構造であり、機能に基づいて3つの部分に分けることができます。最初の部分は、糸球体に近接しているため、近位尿細管(PCT)と呼ばれます。それは腎皮質の中に留まっています。2番目の部分は、腎髄質を通過するループ(下行脚と上行脚を伴います)を形成するため、ヘンレのループ、またはネフロンループと呼ばれます。尿細管の3番目の部分は遠位尿細管(DCT)と呼ばれ、この部分も腎皮質に限定されています。ネフロンの最後の部分であるDCTは、髄質錐体を裏打ちする集合管に接続してその内容物を排出します。集合管は複数のネフロンから内容物を集め、それらが腎髄質の乳頭に入る際に一緒に融合します。, 腎動脈に由来する毛細血管網は、濾過する必要がある血液をネフロンに供給します。糸球体に入る枝は輸入細動脈と呼ばれます。糸球体を出る枝は輸出細動脈と呼ばれます。糸球体内では、毛細血管網は糸球体毛細血管床と呼ばれます。ひとたび輸出細動脈が糸球体を出ると、それは、尿細管の一部を囲み相互作用する尿細管周囲毛細血管網を形成します。皮質ネフロンでは、尿細管周囲毛細血管網がPCTとDCTを囲んでいます。傍髄質ネフロンでは、尿細管周囲毛細血管網はヘンレのループの周囲にネットワークを形成し、直細血管と呼ばれます。, このウェブサイト(http://openstaxcollege.org/l/kidney_section)にアクセスして、腎臓のもう1つの冠状部分を観察して、ネフロンの働きのアニメーションを探索してください。, 腎臓は3段階のプロセスで血液を濾過します。第1に、ネフロンは糸球体の中の毛細血管網を通過する血液を濾過します。タンパク質を除くほとんどすべての溶質は、糸球体濾過と呼ばれるプロセスによって糸球体へと濾しとられます。第2に、濾液が尿細管に集められます。溶質のほとんどは、尿細管再吸収と呼ばれるプロセスによってPCTに再吸収されます。ヘンレのループでは、濾液は溶質および水分を腎髄質および尿細管周囲毛細血管網と交換し続けます。この段階で水分も再吸収されます。その後、尿細管分泌中に追加の溶質および廃棄物が尿細管に分泌されます。これは、本質的には尿細管再吸収とは逆のプロセスです。集合管は、ネフロンから来る濾液を収集し、髄質乳頭で融合します。ここから、乳頭は濾液(これから尿と呼ばれます)を小腎杯に送り、小腎杯は最終的に腎盂を介して尿管につながっています。このプロセス全体が図41.7に示されています。, 糸球体濾過は、高い血圧および輸入細動脈の特殊な膜によって、ほとんどの溶質を濾しとります。糸球体の血圧は、全身の血圧に影響を与える要因からは独立して維持されます。糸球体毛細血管網の内皮細胞間の「漏れやすい」接続によって、溶質が容易に通過することが可能になります。タンパク質のような高分子を除き、糸球体毛細血管内のすべての溶質は受動拡散によって通過します。濾過プロセスのこの段階ではエネルギーは必要ありません。糸球体濾過率(GFR)は、腎臓によって1分あたりに形成される糸球体濾液の量です。GFRは複数のメカニズムによって調節されており、腎臓機能の重要な指標です。, 腎臓の血管系の詳細についてさらに学ぶためには、このレビュー(http://openstaxcollege.org/l/kidneys)および血流のステップをクリックして進んでください。, 尿細管のPCT部分で尿細管再吸収が起こります。ほとんどすべての栄養素が再吸収され、これは受動輸送または能動輸送のいずれかによって起こります。水分といくつかの重要な電解質の再吸収は調節されており、ホルモンの影響を受けることがあります。ナトリウム(Na⁺)は最も豊富なイオンであり、そのほとんどは能動輸送によって再吸収され、次いで尿細管周囲毛細血管に輸送されます。Na⁺は尿細管の外に能動輸送されるため、浸透圧を均一にするために水分がそれに続きます。水分はまた、PCT中のアクアポリン(または水分チャネル)の存在により、独立して尿細管周囲毛細血管に再吸収されます。これは、尿細管周囲毛細血管における低い血圧および高い浸透圧のために起こります。しかしながら、すべての溶質には最大輸送量があり、過剰分は再吸収されません。, ヘンレのループでは、膜の透過性が変化します。下行脚は水を透過し、溶質を透過しません。上行脚では、逆のことが当てはまります。さらに、ヘンレのループは腎髄質に侵入します。腎髄質は自然には塩分濃度が高く、尿細管から水分を吸収して濾液を濃縮する傾向があります。浸透勾配は、それが髄質内に深く移動するにつれて増加します。図41.8に示されるように、ヘンレのループの両側では反対の機能が実行されるため、これは対向流増幅系として機能します。その周りの直細血管は対向流交換系として機能します。.

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