Ryba morska pije słoną wodę. Żeby ją wchłonąć, strąca w jelicie kredę

Ryba morska żyje w wodzie, której nie da się pić. Woda morska jest około trzy razy bardziej stężona niż jej krew, więc przez cienkie skrzela woda stale ucieka na zewnątrz, a sól wchodzi do środka. Ryba radzi sobie, pijąc słoną wodę, ale zanim ją wchłonie, musi w jelicie wytrącić z niej coś na kształt kredy.

Skrzela to cienka błona, która przecieka

Skrzela są zbudowane pod wymianę gazów. Blaszki są cienkie, mają ogromną powierzchnię i leżą tuż pod skórą, żeby tlen z wody miał krótką drogę do krwi. Te same cechy czynią ze skrzeli miejsce, przez które swobodnie przechodzi woda i sole, zgodnie z osmozą, czyli ruchem wody w stronę roztworu bardziej stężonego.

Krew ryby kostnej ma około 300 do 450 miliosmoli na kilogram, woda morska około 1050. Różnica jest tak duża, że woda przechodzi przez skrzela na zewnątrz, a jony sodu i chloru w drugą stronę. Ryba traci wodę, a soli jej przybywa. Słodkowodna ma problem odwrotny: wokół niej jest poniżej jednego miliosmola, więc woda wciska się do środka, a sole uciekają ^[1].

W morzu trzeba pić i oddawać sól

Rozwiązaniem jest picie. Ryba morska połyka wodę morską niemal bez przerwy, a pierwszy etap obróbki odbywa się w przełyku, który przepuszcza jony, ale zatrzymuje wodę. Do jelita dociera roztwór wciąż słony. Tam sole są wchłaniane do krwi, a woda idzie za nimi.

Skala zależy od gatunku, temperatury i rozmiaru. U ryby z gatunku Opsanus beta, badanej w laboratoriach w Miami, tempo picia wynosi 2,6 mililitra na kilogram masy ciała na godzinę. Półkilogramowa ryba wypija w ten sposób około 1,3 mililitra na godzinę, czyli 31 mililitrów na dobę, mniej więcej 6 procent swojej masy.

Nadmiar soli wraca do morza przez skrzela. Robią to komórki bogate w mitochondria, z gęstą siecią kanalików i pompą sodowo-potasową, która zużywa energię, żeby przepchnąć jony przez błonę wbrew gradientowi. Nerka w tym czasie oszczędza wodę: przesączanie w kłębuszkach spada niemal do zera, a u części gatunków kłębuszki zanikły zupełnie. Mocz jest izotoniczny z krwią, więc nie da się w nim pozbyć nadmiaru soli. Ryby nie mają pętli Henlego, struktury, która pozwala ptakom i ssakom zagęszczać mocz powyżej stężenia krwi, więc sól musi wyjść skrzelami ^[2].

Po co rybie kreda w jelicie

Zostaje problem z samym stężeniem. Treść jelita ma stężenie bliskie wodzie morskiej, a więc wyższe niż krew. W takim układzie woda nie tylko nie wchodzi do krwi, ale wręcz ucieka z niej do jelita. Ryba odwodniłaby się od środka.

Dlatego w jelicie zachodzi reakcja, która brzmi jak pomyłka: ryba wydziela do światła jelita wodorowęglan, a wapń obecny w połkniętej wodzie strąca się jako węglan wapnia, czyli kreda. Z roztworu znika część jonów, więc ciśnienie osmotyczne treści jelita spada, w opisanych badaniach nawet o 100 miliosmoli ^[3]. Wtedy wchłanianie wody staje się możliwe, także pod górkę, do około 35 miliosmoli. Kreda zostaje wydalona z kałem.

Ta sama reakcja jest jednym z powodów, dla których ryby morskie mogą w ogóle korzystać z morza jako źródła wody. Bez niej każde połknięcie działałoby przeciwko nim: słony płyn w jelicie ściągałby wodę z krwi zamiast ją oddawać. Węglan wapnia jest więc nie efektem ubocznym, a warunkiem picia.

W rzece nikt nie pije

W słodkiej wodzie rachunek wygląda odwrotnie. Woda wchodzi przez skrzela i skórę bez przerwy, więc ryba prawie nie pije, a nadmiar usuwa nerką. Kłębuszki filtrują dużo, kanaliki odzyskują z przesączu sole, a mocz wychodzi obfity i rozcieńczony.

Problemem stają się jony, których w wodzie prawie nie ma. Stężenie sodu w miękkiej wodzie bywa wielokrotnie niższe niż we krwi, a ryba musi je pobierać. Komórki skrzeli robią to aktywnie, wymieniając jony wodorowe i wodorowęglanowe, i płacą za to energią. Ten sam narząd, który u ryby morskiej wyrzuca sól, u słodkowodnej ją łapie.

Rekin nie pije, bo ma mocznik we krwi

Rekiny, płaszczki i inne ryby chrzęstnoszkieletowe wybrały trzecie wyjście. Trzymają w krwi mocznik, u rekina około 440 milimoli na litr, oraz tlenek trimetyloaminy, który w proporcji mniej więcej jeden do dwóch chroni białka przed szkodliwym działaniem mocznika. Krew staje się odrobinę bardziej stężona niż woda morska, a wtedy woda sama wchodzi przez skrzela. Nadmiar soli usuwa gruczoł odbytowy, a nerka oddaje dużo moczu.

Mocznik rozwiązuje problem stężenia, ale nie jest obojętny. Ryba musi go stale zatrzymywać w tkankach, a poziom, który u ssaka byłby śmiertelny, wymaga osłony w postaci tlenku trimetyloaminy. Ta strategia nie przydała się rybom kostnym, choć te są dziś znacznie liczniejsze.

Węgorz zmienia tryb w drodze

Większość ryb zostaje w jednym środowisku na całe życie. Węgorz europejski spędza lata w rzekach i jeziorach, a potem rusza do Morza Sargassowego. Po przeniesieniu do słonej wody zaczyna pić niemal natychmiast, a sygnałem są same jony chlorkowe. Gdy badacze zablokowali przełyk, żeby połknięta woda nie docierała do jelita, węgorze padały w ciągu pięciu dni z powodu odwodnienia i nadmiaru sodu ^[4].

Zmiana obejmuje też budowę skrzeli. U killifish (Fundulus heteroclitus) po przeniesieniu do morza kilkukrotnie rośnie ekspresja kanałów chlorkowych w błonie komórek, a u łososia w czasie smoltyfikacji, czyli przebudowy przed wejściem do morza, zmienia się rozmieszczenie pomp sodowo-potasowych i ko-transporterów. Ryba, która wędruje, przebudowuje narząd oddechowy na narząd do regulacji soli.

Ile kosztuje picie słonej wody

Utrzymanie równowagi nie jest darmowe. Najnowsze oszacowania dla ryb morskich rozkładają koszt na części: przełyk i jelito około 2,5 procent podstawowej przemiany, skrzela około 4 procent, nerki około 1 procent, razem 7 do 8 procent. Wcześniejsze pomiary, oparte na porównywaniu tempa przemiany w wodach o różnym zasoleniu, dawały wyniki od kilku do ponad 30 procent i nie były spójne, bo różnice między osobnikami okazały się większe niż sam koszt osmoregulacji.

Cienka blaszka skrzeli jest kompromisem: na tyle cienka, żeby tlen przechodził, i na tyle przepuszczalna, że woda oraz sole przechodzą razem z nim. Dlatego ryba morska spędza dzień na piciu, a jej jelito produkuje kredę, którą potem wydala. Oddycha wodą i płaci za to wodą.

Źródła

1. David H. Evans, Peter M. Piermarini, Keith P. Choe, „The Multifunctional Fish Gill: Dominant Site of Gas Exchange, Osmoregulation, Acid-Base Regulation, and Excretion of Nitrogenous Waste”, Physiological Reviews 85, 2005. https://doi.org/10.1152/physrev.00050.2003
2. David H. Evans, „Osmoregulation by Vertebrates in Aquatic Environments”, Encyclopedia of Life Sciences, 2002. https://people.clas.ufl.edu/devans/files/ELSpaper.pdf
3. A. Little, C. Pasparakis, J. Stieglitz, M. Grosell, „Metabolic cost of osmoregulation by the gastro-intestinal tract in marine teleost fish”, Frontiers in Physiology 14, 2023. https://doi.org/10.3389/fphys.2023.1163153
4. Yoshio Takei, „Comparative Physiology of Body Fluid Regulation in Vertebrates with Special Reference to Thirst Regulation”, Japanese Journal of Physiology 50, 2000. https://www.jstage.jst.go.jp/article/jjphysiol/50/2/50_2_171/_pdf
5. Zdjęcie: Diego Delso, „Chopa (Spondyliosoma cantharus), Cabo de Palos, España, 2022-07-14”, Wikimedia Commons, licencja CC BY-SA 4.0. Kadr przycięty do proporcji 16:9 i przeskalowany, rozpowszechniany na tej samej licencji. Strona pliku, CC BY-SA 4.0