Chapter-19 Excretory Products and Their Elimination
Animals accumulate ammonia, urea, uric acid, carbon dioxide, water and ions like Na+, K+, Cl–, phosphate, sulphate, etc., either by metabolic activities or by other means like excess ingestion. These substances have to be removed totally or partially. In this chapter, you will learn the mechanisms of elimination of these substances with special emphasis on common nitrogenous wastes. Ammonia, urea and uric acid are the major forms of nitrogenous wastes excreted by the animals. Ammonia is the most toxic form and requires large amount of water for its elimination, whereas uric acid, being the least toxic, can be removed with a minimum loss of water.
The process of excreting ammonia is Ammonotelism. Many bony fishes, aquatic amphibians and aquatic insects are ammonotelic in nature. Ammonia, as it is readily soluble, is generally excreted by diffusion across body surfaces or through gill surfaces (in fish) as ammonium ions. Kidneys do not play any significant role in its removal. Terrestrial adaptation necessitated the production of lesser toxic nitrogenous wastes like urea and uric acid for conservation of water. Mammals, many terrestrial amphibians and marine fishes mainly excrete urea and are called ureotelic animals. Ammonia produced by metabolism is converted into urea in the liver of these animals and released into the blood which is filtered and excreted out by the kidneys. Some amount of urea may be retained in the kidney matrix of some of these animals to maintain a desired osmolarity. Reptiles, birds, land snails and insects excrete nitrogenous wastes as uric acid in the form of pellet or paste with a minimum loss of water and are called uricotelic animals.
A survey of animal kingdom presents a variety of excretory structures. In most of the invertebrates, these structures are simple tubular forms whereas vertebrates have complex tubular organs called kidneys. Some of these structures are mentioned here. Protonephridia or flame cells are the excretory structures in Platyhelminthes (Flatworms, e.g., Planaria), rotifers, some annelids and the cephalochordate - Amphioxus. Protonephridia are primarily concerned with ionic and fluid volume regulation, i.e., osmoregulation. Nephridia are the tubular excretory structures of earthworms and other annelids. Nephridia help to remove nitrogenous wastes and maintain a fluid and ionic balance. Malpighian tubules are the excretory structures of most of the insects including cockroaches. Malpighian tubules help in the removal of nitrogenous wastes and osmoregulation. Antennal glands or green glands perform the excretory function in crustaceans like prawns.
19.1 HUMAN EXCRETORY SYSTEM
In humans, the excretory system consists of a pair of kidneys, one pair of ureters, a urinary bladder and a urethra (Figure 19.1).
Figure 19.1 Human Urinary system
Kidneys are reddish brown, bean shaped structures situated between the levels of last thoracic and third lumbar vertebra close to the dorsal inner wall of the abdominal cavity. Each kidney of an adult human measures 10-12 cm in length, 5-7 cm in width, 2-3 cm in thickness with an average weight of 120170 g. Towards the centre of the inner concave surface of the kidney is a notch called hilum through which ureter, blood vessels and nerves enter. Inner to the hilum is a broad funnel shaped space called the renal pelvis with projections called calyces. The outer layer of kidney is a tough capsule. Inside the kidney, there are two zones, an outer cortex and an inner medulla. The medulla is divided into a few conical masses (medullary pyramids) projecting into the calyces (sing.: calyx). The cortex extends in between the medullary pyramids as renal columns called Columns of Bertini (Figure 19.2).
Figure 19.2 Longitudinal section (Diagrammatic) of Kidney
Each kidney has nearly one million complex tubular structures called nephrons (Figure 19.3),which are the functional units. Each nephron has two parts - the glomerulus and the renal tubule. Glomerulus is a tuft of capillaries formed by the afferent arteriole - a fine branch of renal artery. Blood from the glomerulus is carried away by an efferent arteriole.
Figure 19.3 A diagrammatic representation of a nephron showing blood vessels, duct and tubule
The renal tubule begins with a double walled cup-like structure called Bowman’s capsule, which encloses the glomerulus. Glomerulus alongwith Bowman’s capsule, is called the malpighian body or renal corpuscle (Figure 19.4). The tubule continues further to form a highly coiled network - proximal convoluted tubule (PCT). A hairpin shaped Henle’s loop is the next part of the tubule which has a descending and an ascending limb. The ascending limb continues as another highly coiled tubular region called distal convoluted tubule (DCT). The DCTs of many nephrons open into a straight tube called collecting duct, many of which converge and open into the renal pelvis through medullary pyramids in the calyces. The Malpighian corpuscle, PCT and DCT of the nephron are situated in the cortical region of the kidney whereas the loop of Henle dips into the medulla. In majority of nephrons, the loop of Henle is too short and extends only very little into the medulla. Such nephrons are called cortical nephrons. In some of the nephrons, the loop of Henle is very long and runs deep into the medulla. These nephrons are called juxta medullary nephrons.
Figure 19.4 Malpighian body (renal corpuscle)
The efferent arteriole emerging from the glomerulus forms a fine capillary network around the renal tubule called the peritubular capillaries. A minute vessel of this network runs parallel to the Henle’s loop forming a ‘U’ shaped vasa recta. Vasa recta is absent or highly reduced in cortical nephrons.
19.2 URINE FORMATION
Urine formation involves three main processes namely, glomerular filtration, reabsorption and secretion, that takes place in different parts of the nephron.
The first step in urine formation is the filtration of blood, which is carried out by the glomerulus and is called glomerular filtration. On an average, 1100-1200 ml of blood is filtered by the kidneys per minute which constitute roughly 1/5th of the blood pumped out by each ventricle of the heart in a minute. The glomerular capillary blood pressure causes filtration of blood through 3 layers, i.e., the endothelium of glomerular blood vessels, the epithelium of Bowman’s capsule and a basement membrane between these two layers. The epithelial cells of Bowman’s capsule called podocytes are arranged in an intricate manner so as to leave some minute spaces called filtration slits or slit pores. Blood is filtered so finely through these membranes, that almost all the constituents of the plasma except the proteins pass onto the lumen of the Bowman’s capsule. Therefore, it is considered as a process of ultra filtration. The amount of the filtrate formed by the kidneys per minute is called glomerular filtration rate (GFR). GFR in a healthy individual is approximately 125 ml/minute, i.e., 180 litres per day !
The kidneys have built-in mechanisms for the regulation of glomerular filtration rate. One such efficient mechanism is carried out by juxta glomerular apparatus (JGA). JGA is a special sensitive region formed by cellular modifications in the distal convoluted tubule and the afferent arteriole at the location of their contact. A fall in GFR can activate the JG cells to release renin which can stimulate the glomerular blood flow and thereby the GFR back to normal.
A comparison of the volume of the filtrate formed per day (180 litres per day) with that of the urine released (1.5 litres), suggest that nearly 99 per cent of the filtrate has to be reabsorbed by the renal tubules. This process is called reabsorption. The tubular epithelial cells in different segments of nephron perform this either by active or passive mechanisms. For example, substances like glucose, amino acids, Na+, etc., in the filtrate are reabsorbed actively whereas the nitrogenous wastes are absorbed by passive transport. Reabsorption of water also occurs passively in the initial segments of the nephron (Figure 19.5).
During urine formation, the tubular cells secrete substances like H+, K+ and ammonia into the filtrate. Tubular secretion is also an important step in urine formation as it helps in the maintenance of ionic and acid base balance of body fluids.
19.3 FUNCTION OF THE TUBULES
Proximal Convoluted Tubule (PCT): PCT is lined by simple cuboidal brush border epithelium which increases the surface area for reabsorption. Nearly all of the essential nutrients, and 70-80 per cent of electrolytes and water are reabsorbed by this segment. PCT also helps to maintain the pH and ionic balance of the body fluids by selective secretion of hydrogen ions and ammonia into the filtrate and by absorption of HCO3– from it.
Henle’s Loop: Reabsorption is minimum in its ascending limb. However, this region plays a significant role in the maintenance of high osmolarity of medullary interstitial fluid. The descending limb of loop of Henle is permeable to water but almost impermeable to electrolytes. This concentrates the filtrate as it moves down. The ascending limb is impermeable to water but allows transport of electrolytes actively or passively. Therefore, as the concentrated filtrate pass upward, it gets diluted due to the passage of electrolytes to the medullary fluid.
Distal Convoluted Tubule (DCT): Conditional reabsorption of Na+ and water takes place in this segment. DCT is also capable of reabsorption of HCO3– and selective secretion of hydrogen and potassium ions and NH3 to maintain the pH and sodium-potassium balance in blood.
Figure 19.5 Reabsorption and secretion of major substances at different parts of the nephron (Arrows indicate direction of movement of materials.)
Collecting Duct: This long duct extends from the cortex of the kidney to the inner parts of the medulla. Large amounts of water could be reabsorbed from this region to produce a concentrated urine. This segment allows passage of small amounts of urea into the medullary interstitium to keep up the osmolarity. It also plays a role in the maintenance of pH and ionic balance of blood by the selective secretion of H+ and K+ ions (Figure 19.5).
19.4 MECHANISM OF CONCENTRATION OF THE FILTRATE
Mammals have the ability to produce a concentrated urine. The Henle’s loop and vasa recta play a significant role in this. The flow of filtrate in the two limbs of Henle’s loop is in opposite directions and thus forms a counter current. The flow of blood through the two limbs of vasa recta is also in a counter current pattern. The proximity between the Henle’s loop and vasa recta, as well as the counter current in them help in maintaining an increasing osmolarity towards the inner medullary interstitium, i.e., from 300 mOsmolL–1 in the cortex to about 1200 mOsmolL–1 in the inner medulla. This gradient is mainly caused by NaCl and urea. NaCl is transported by the ascending limb of Henle’s loop which is exchanged with the descending limb of vasa recta. NaCl is returned to the interstitium by the ascending portion of vasa recta. Similarly, small amounts of urea enter the thin segment of the ascending limb of Henle’s loop which is transported back to the interstitium by the collecting tubule. The above described transport of substances facilitated by the special arrangement of Henle’s loop and vasa recta is called the counter current mechanism (Figure. 19.6). This mechanism helps to maintain a concentration gradient in the medullary interstitium. Presence of such interstitial gradient helps in an easy passage of water from the collecting tubule thereby concentrating the filtrate (urine). Human kidneys can produce urine nearly four times concentrated than the initial filtrate formed.
Figure 19.6 Diagrammatic representation of a nephron and vasa recta showing counter current mechanisms
19.5 REGULATION OF KIDNEY FUNCTION
The functioning of the kidneys is efficiently monitored and regulated by hormonal feedback mechanisms involving the hypothalamus, JGA and to a certain extent, the heart.
Osmoreceptors in the body are activated by changes in blood volume, body fluid volume and ionic concentration. An excessive loss of fluid from the body can activate these receptors which stimulate the hypothalamus to release antidiuretic hormone (ADH) or vasopressin from the neurohypophysis. ADH facilitates water reabsorption from latter parts of the tubule, thereby preventing diuresis. An increase in body fluid volume can switch off the osmoreceptors and suppress the ADH release to complete the feedback. ADH can also affect the kidney function by its constrictory effects on blood vessels. This causes an increase in blood pressure. An increase in blood pressure can increase the glomerular blood flow and thereby the GFR.
The JGA plays a complex regulatory role. A fall in glomerular blood flow/glomerular blood pressure/GFR can activate the JG cells to release renin which converts angiotensinogen in blood to angiotensin I and further to angiotensin II. Angiotensin II, being a powerful vasoconstrictor, increases the glomerular blood pressure and thereby GFR. Angiotensin II also activates the adrenal cortex to release Aldosterone. Aldosterone causes reabsorption of Na+ and water from the distal parts of the tubule. This also leads to an increase in blood pressure and GFR. This complex mechanism is generally known as the Renin-Angiotensin mechanism.
An increase in blood flow to the atria of the heart can cause the release of Atrial Natriuretic Factor (ANF). ANF can cause vasodilation (dilation of blood vessels) and thereby decrease the blood pressure. ANF mechanism, therefore, acts as a check on the renin-angiotensin mechanism.
19.6 MICTURITION
Urine formed by the nephrons is ultimately carried to the urinary bladder where it is stored till a voluntary signal is given by the central nervous system (CNS). This signal is initiated by the stretching of the urinary bladder as it gets filled with urine. In response, the stretch receptors on the walls of the bladder send signals to the CNS. The CNS passes on motor messages to initiate the contraction of smooth muscles of the bladder and simultaneous relaxation of the urethral sphincter causing the release of urine. The process of release of urine is called micturition and the neural mechanisms causing it is called the micturition reflex.
An adult human excretes, on an average, 1 to 1.5 litres of urine per day. The urine formed is a light yellow coloured watery fluid which is slightly acidic (pH-6.0) and has a characterestic odour. On an average, 25-30 gm of urea is excreted out per day. Various conditions can affect the characteristics of urine. Analysis of urine helps in clinical diagnosis of many metabolic discorders as well as malfunctioning of the kidney. For example, presence of glucose (Glycosuria) and ketone bodies (Ketonuria) in urine are indicative of diabetes mellitus.
19.7 ROLE OF OTHER ORGANS IN EXCRETION
Other than the kidneys, lungs, liver and skin also help in the elimination of excretory wastes.
Our lungs remove large amounts of CO2 (approximately 200mL/ minute) and also significant quantities of water every day. Liver, the largest gland in our body, secretes bile-containing substances like bilirubin, biliverdin, cholesterol, degraded steroid hormones, vitamins and drugs. Most of these substances ultimately pass out alongwith digestive wastes. The sweat and sebaceous glands in the skin can eliminate certain substances through their secretions. Sweat produced by the sweat glands is a watery fluid containing NaCl, small amounts of urea, lactic acid, etc. Though the primary function of sweat is to facilitate a cooling effect on the body surface, it also helps in the removal of some of the wastes mentioned above. Sebaceous glands eliminate certain substances like sterols, hydrocarbons and waxes through sebum. This secretion provides a protective oily covering for the skin. Do you know that small amounts of nitrogenous wastes could be eliminated through saliva too?
19.8 DISORDERS OF THE EXCRETORY SYSTEM
Malfunctioning of kidneys can lead to accumulation of urea in blood, a condition called uremia, which is highly harmful and may lead to kidney failure. In such patients, urea can be removed by a process called hemodialysis. During the process of haemodialysis, the blood drained from a convenient artery is pumped into a dialysing unit called artificial kidney. Blood drained from a convenient artery is pumped into a dialysing unit after adding an anticoagulant like heparin. The unit contains a coiled cellophane tube surrounded by a fluid (dialysing fluid) having the same composition as that of plasma except the nitrogenous wastes. The porous cellophane membrance of the tube allows the passage of molecules based on concentration gradient. As nitrogenous wastes are absent in the dialysing fluid, these substances freely move out, thereby clearing the blood. The cleared blood is pumped back to the body through a vein after adding anti-heparin to it. This method is a boon for thousands of uremic patients all over the world.
Kidney transplantation is the ultimate method in the correction of acute renal failures (kidney failure). A functioning kidney is used in transplantation from a donor, preferably a close relative, to minimise its chances of rejection by the immune system of the host. Modern clinical procedures have increased the success rate of such a complicated technique.
Renal calculi: Stone or insoluble mass of crystallised salts (oxalates, etc.) formed within the kidney. Glomerulonephritis: Inflammation of glomeruli of kidney.
Summary
Many nitrogen containing substances, ions, CO2, water, etc., that accumulate in the body have to be eliminated. Nature of nitrogenous wastes formed and their excretion vary among animals, mainly depending on the habitat (availability of water). Ammonia, urea and uric acid are the major nitrogenous wastes excreted.
Protonephridia, nephridia, malpighian tubules, green glands and the kidneys are the common excretory organs in animals. They not only eliminate nitrogenous wastes but also help in the maintenance of ionic and acid-base balance of body fluids.
In humans, the excretory system consists of one pair of kidneys, a pair of ureters, a urinary bladder and a urethra. Each kidney has over a million tubular structures called nephrons. Nephron is the functional unit of kidney and has two portions - glomerulus and renal tubule. Glomerulus is a tuft of capillaries formed from afferent arterioles, fine branches of renal artery. The renal tubule starts with a double walled Bowman’s capsule and is further differentiated into a proximal convoluted tubule (PCT), Henle’s loop (HL) and distal convoluted tubule (DCT). The DCTs of many nephrons join to a common collecting duct many of which ultimately open into the renal pelvis through the medullary pyramids. The Bowman’s capsule encloses the glomerulus to form Malpighian or renal corpuscle.
Urine formation involves three main processes, i.e., filtration, reabsorption and secretion. Filtration is a non-selective process performed by the glomerulus using the glomerular capillary blood pressure. About 1200 ml of blood is filtered by the glomerulus per minute to form 125 ml of filtrate in the Bowman’s capsule per minute (GFR). JGA, a specialised portion of the nephrons, plays a significant role in the regulation of GFR. Nearly 99 per cent reabsorption of the filtrate takes place through different parts of the nephrons. PCT is the major site of reabsorption and selective secretion. HL primarily helps to maintain osmolar gradient (300 mOsmolL–1 -1200 mOsmolL–1) within the kidney interstitium. DCT and collecting duct allow extensive reabsorption of water and certain electrolytes, which help in osmoregulation: H+, K+ and NH3 could be secreted into the filtrate by the tubules to maintain the ionic balance and pH of body fluids.
A counter current mechanism operates between the two limbs of the loop of Henle and those of vasa recta (capillary parallel to Henle’s loop). The filtrate gets concentrated as it moves down the descending limb but is diluted by the ascending limb. Electrolytes and urea are retained in the interstitium by this arrangement. DCT and collecting duct concentrate the filtrate about four times, i.e., from 300 mOsmolL–1 to 1200 mOsmolL–1, an excellent mechanism of conservation of water. Urine is stored in the urinary bladder till a voluntary signal from CNS carries out its release through urethra, i.e., micturition. Skin, lungs and liver also assist in excretion.
Exercises
1. Define Glomerular Filtration Rate (GFR)
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Glomerular filtration rate is the amount of glomerular filtrate formed in all the nephrons of both the kidneys per minute. In a healthy individual, it is about $125 mL /$ minute. Glomerular filtrate contains glucose, amino acids, sodium, potassium, urea, uric acid, ketone bodies, and large amounts of water.
2. Explain the autoregulatory mechanism of GFR.
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The mechanism by which the kidney regulates the glomerular filtration rate is autoregulative. It is carried out by the juxtaglomerular apparatus. Juxtaglomerular apparatus is a microscopic structure located between the vascular pole of the renal corpuscle and the returning distal convoluted tubule of the same nephron.
It plays a role in regulating the renal blood flow and glomerular filtration rate. When there is a fall in the glomerular filtration rate, it activates the juxtaglomerular cells to release renin. This stimulates the glomerular blood flow, thereby bringing the GFR back to normal. Renin brings the GFR back to normal by the activation of the renin-angiotensin mechanism.
3. Indicate whether the following statements are true or false :
(a) Micturition is carried out by a reflex.
(b) ADH helps in water elimination, making the urine hypotonic.
(c) Protein-free fluid is filtered from blood plasma into the Bowman’s capsule.
(d) Henle’s loop plays an important role in concentrating the urine
(e) Glucose is actively reabsorbed in the proximal convoluted tubule.
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(a) True
(b) False
(c) True
(d) True
(e) True
4. Give a brief account of the counter current mechanism.
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The counter current mechanism operating inside the kidney is the main adaptation for the conservation of water. There are two counter current mechanisms inside the kidneys. They are Henle’s loop and vasa rectae.
Henle’s loop is a U-shaped part of the nephron. Blood flows in the two limbs of the tube in opposite directions and this gives rise to counter currents. The Vasa recta is an efferent arteriole, which forms a capillary network around the tubules inside the renal medulla. It runs parallel to Henley’s loop and is U-shaped. Blood flows in opposite directions in the two limbs of vasa recta. As a result, blood entering the renal medulla in the descending limb comes in close contact with the outgoing blood in the ascending limb.
Vasa rectae
Henle’s Loop
The osmolarity increases from $300 mOsmolL^{-1}$ in the cortex to $1200 mOsmolL^{-1}$ in the inner medulla by counter current mechanism. It helps in maintaining the concentration gradient, which in turn helps in easy movement of water from collecting tubules. The gradient is a result of the movement of $NaCl$ and urea.
5. Describe the role of liver, lungs and skin in excretion.
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Liver, lungs, and skin also play an important role in the process of excretion.
Role of the liver:
Liver is the largest gland in vertebrates. It helps in the excretion of cholesterol, steroid hormones, vitamins, drugs, and other waste materials through bile. Urea is formed in the liver by the ornithine cycle. Ammonia - a toxic substance - is quickly changed into urea in the liver and thence eliminated from the body. Liver also changes the decomposed haemoglobin pigment into bile pigments called bilirubin and biliverdin.
Role of the lungs:
Lungs help in the removing waste materials such as carbon dioxide from the body.
Role of the skin:
Skin has many glands which help in excreting waste products through pores. It has two types of glands - sweat and sebaceous glands.
Sweat glands are highly vascular and tubular glands that separate the waste products from the blood and excrete them in the form of sweat. Sweat excretes excess salt and water from the body.
Sebaceous glands are branched glands that secrete an oily secretion called sebum.
6. Explain micturition.
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Micturition is the process by which the urine from the urinary bladder is excreted. As the urine accumulates, the muscular walls of the bladder expand. The walls stimulate the sensory nerves in the bladder, setting up a reflex action. This reflex stimulates the urge to pass out urine. To discharge urine, the urethral sphincter relaxes and the smooth muscles of the bladder contract. This forces the urine out from the bladder. An adult human excretes about 1 - 1.5 litres of urine per day.
7. Match the items of column I with those of column II :
Column I | Column II |
---|---|
(a) Ammonotelism | (i) Birds |
(b) Bowman’s capsule | (ii) Water reabsorption |
(c) Micturition | (iii) Bony fish |
(d) Uricotelism | (iv) Urinary bladder |
(d) ADH | (v) Renal tubule |
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Column I | Column II |
---|---|
(a) Ammonotelism | (iii) Bony fish |
(b) Bowman’s capsule | (v) Renal tubule |
(c) Micturition | (iv) Urinary bladder |
(d) Uricotelism | (i) Birds |
(d) ADH | (ii) Water reabsorption |
8. What is meant by the term osmoregulation?
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Osmoregulation is a homeostatic mechanism that regulates the optimum temperature of water and salts in the tissues and body fluids. It maintains the internal environment of the body by water and ionic concentration.
9. Terrestrial animals are generally either ureotelic or uricotelic, not ammonotelic, why ?
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Terrestrial animals are either ureotelic or uricotelic, and not ammonotelic. This is because of the following two main reasons:
(a) Ammonia is highly toxic in nature. Therefore, it needs to be converted into a less toxic form such as urea or uric acid.
(b) Terrestrial animals need to conserve water. Since ammonia is soluble in water, it cannot be eliminated continuously. Hence, it is converted into urea or uric acid. These forms are less toxic and also insoluble in water. This helps terrestrial animals conserve water.
10. What is the significance of juxta glomerular apparatus (JGA) in kidney function?
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Juxtaglomerular apparatus (JGA) is a complex structure made up of a few cells of glomerulus, distal tubule, and afferent and efferent arterioles. It is located in a specialised region of a nephron, wherein the afferent arteriole and the distal convoluted tubule (DLT) come in direct contact with each other.
The juxtaglomerular apparatus contains specialised cells of the afferent arteriole known as juxtaglomerular cells. These cells contain the enzyme renin that can sense blood pressure. When glomerular blood flow (or glomerular blood pressure or glomerular filtration rate) decreases, it activates juxtaglomerular cells to release renin.
Renin converts the angiotensinogen in blood into angiotensin I and further into angiotensin II. Angiotensin II is a powerful vasoconstrictor that increases the glomerular blood pressure and filtration rate. Angiotensin II also stimulates the adrenal cortex of the adrenal gland to produce aldosterone. Aldosterone increases the rate of absorption of sodium ions and water from the distal convoluted tubule and the collecting duct. This also leads to an increase in blood pressure and glomerular filtration rate. This mechanism, known as renin-angiotensin mechanism, ultimately leads to an increased blood pressure.
11. Name the following:
(a) A chordate animal having flame cells as excretory structures
(b) Cortical portions projecting between the medullary pyramids in the human kidney
(c) A loop of capillary running parallel to the Henle’s loop.
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(a) Amphioxus is an example of a chordate that has flame cells as excretory structures. Flame cell is a type of excretory and osmoregulatory system.
(b) The cortical portions projecting between the medullary pyramids in the human kidney are the columns of Bertini. They represent the cortical tissues present within the medulla.
(c) A loop of capillary that runs parallel to Henle’s loop is known as vasa rectae. Vasa rectae, along with Henle’s loop, helps in maintaining a concentration gradient in the medullary interstitium.
12. Fill in the gaps :
(a) Ascending limb of Henle’s loop is _______ to water whereas the descending limb is _______ to it.
(b) Reabsorption of water from distal parts of the tubules is facilitated by hormone _______.
(c) Dialysis fluid contain all the constituents as in plasma except _______.
(d) A healthy adult human excretes (on an average) _______ gm of urea/day.
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Answer
(a) Ascending limb of Henle’s loop is $\underline{\text{ impermeable }}$ to water, whereas the descending limb is $\underline{\text{ permeable }}$ to it.
(b) Reabsorption of water from distal parts of the tubules is facilitated by the hormone $\underline{\text{vasopressin}}$
(c) Dialysis fluid contains all the constituents as in plasma, except $\underline{\text{the nitrogenous wastes}}$
(d) A healthy adult human excretes (on an average) $\underline{25-30}$ gm of urea/day.
प्राणी उपापचयी अथवा अत्यधिक अंतःग्रहण जैसी क्रियाओं द्वारा अमोनिया, यूरिया, यूरिक अम्ल, कार्बनडाइऑक्साइड, जल और अन्य आयन जैसे सोडियम, पोटैसियम, क्लोरीन, फॉस्फेट, सल्फेट आदि का संचय करते हैं। प्राणियों द्वारा इन पदार्थों का पूर्णतया या आंशिक रूप से निष्कासन आवश्यक है। इस अध्याय में आप इन पदार्थो, साथ ही विशेष रूप से साधारण नाइट्रोजनी अपशिष्टों के निष्कासन का अध्ययन करेंगे। प्राणियों द्वारा उत्सर्जित होने वाले नाइट्रोजनी अपशिष्टों में मुख्य रूप से अमोनिया, यूरिया और यूरिक हैं। इनमें अमोनिया सर्वाधिक आविष (टॉक्सिक) है और इसके निष्कासन के लिए अत्यधिक जल की आवश्यकता होती है। यूरिक अम्ल कम आविष है और जल की कम मात्रा के साथ निष्कासित किया जा सकता है।
अमोनिया के उत्सर्जन की प्रक्रिया को अमोनियोत्सर्ग प्रक्रिया कहते हैं। अनेक अस्थिल मछलियाँ, उभयचर और जलीय कीट अमोनिया उत्सर्जी प्रकृति के हैं। अमोनिया सरलता से घुलनशील है, इसलिए आसानी से अमोनियम आयनों के रूप में शरीर की सतह या मछलियों के क्लोम (गिल) की सतह से विसरण द्वारा उत्सर्जित हो जाते हैं। इस उत्सर्जन में वृक्क की कोई अहम भूमिका नहीं होती है। इन प्राणियों को अमोनियाउत्सर्जी (अमोनोटैलिक) कहते हैं। स्थलीय आवास में अनुकूलन हेतु, जल की हानि से बचने के लिए प्राणी कम आविष नाइट्रोजनी अपशिष्टों जैसे यूरिया और यूरिक अम्ल का उत्सर्जन करते हैं। स्तनधारी, कई स्थली उभयचर और समुद्री मछलियाँ मुख्यतः यूरिया का उत्सर्जन करते हैं और यूरियाउत्मर्जी (यूरियोटेलिक) कहलाते हैं। इन प्राणियों में उपापचयी क्रियाओं द्वारा निर्मित अमोनिया को यकृत द्वारा यूरिया में परिवर्तित कर रक्त में मुक्त कर दिया जाता है, जिसे वृक्कों द्वारा निस्यंदन के पश्चात उत्सर्जित कर दिया जाता है। कुछ प्राणियों के वृक्कों की आधात्री (मैट्रिक्स) में अपेक्षित परासरणता को बनाए रखने के लिए यूरिया की कुछ मात्रा रह जाती है। सरीसृपों, पक्षियों, स्थलीय घोंघों तथा कीटों में नाइट्रोजनी अपशिष्ट यूरिक अम्ल का उत्सर्जन, जल की कम मात्रा के साथ गोलिकाओं या पेस्ट के रूप में होता है और ये यूरिकअम्लउत्सर्जी (यूरिकोटेलिक) कहलाते हैं।
प्राणी जगत में कई प्रकार के उत्सर्जी अंग पाए जाते हैं। अधिकांश अकशेरुकियों में यह संरचना सरल नलिकाकार रूप में होती है, जबकि कशेरुकियों में जटिल नलिकाकार अंग होते हैं, जिन्हें वृक्क कहते हैं। इन संरचनाओं के प्रमुख रूप नीचे दिए गए हैं- आदिवृक्कक (प्रोटोनेफ्रिडिआ) या ज्वाला कोशिकाएं, प्लेटिहेल्मिंथ (चपटे कृमि जैसे प्लैनेरिया), रॉटीफर कुछ एनेलिड, सिफेलोकॉर्डेट (एम्फीऑक्सस) आदि में उत्सर्जी संरचना के रूप में पाए जाते हैं। आदिवृक्कक प्राथमिक रूप से आयनों व द्रव के आयतन-नियमन जैसे परासरणनियमन से संबंधित हैं। केंचुए व अन्य एनेलिड में नलिकाकार उत्सर्जी अंग वृक्कक पाए जाते हैं। वृक्कक नाइट्रोजनी अपशिष्टों को उत्सर्जित करने तथा द्रव और आयनों का संतुलन बनाए रखने में सहायता करते हैं। तिलचट्टों (कॉकरोच) सहित अधिकांश कीटों में उत्सर्जी अंग के रूप में मैलपीगी नलिकाएं पाई जाती हैं। मैलपीगी नलिकाएं नाइट्रोजनी अपशिष्टों के उत्सर्जन और परासरणनियमन में मदद करती हैं। झींगा (प्रॉन) जैसे क्रस्टेशियाई प्राणियों में शृंगिक ग्रंथियाँ (एंटिनलग्लांड) या हरित ग्रंथियाँ उत्सर्जन का कार्य करती हैं।
16.1 मानव उत्सर्जन तंत्र
मनुष्यों में उत्सर्जी तंत्र एक जोड़ी वृक्क, एक जोड़ी मूत्र नलिका, एक मूत्राशय और एक मूत्र मार्ग का बना होता है (चित्र 16.1)।
चित्र 16.1 मानव का उत्सर्जन तंत्र
वृक्क सेम के बीज की आकृति के गहरे भूरे लाल रंग के होते हैं तथा ये अंतिम वक्षीय और तीसरी कटि कशेरुका के समीप उदर गुहा में आंतरिक पृष्ठ सतह पर स्थित होते हैं। वयस्क मनुष्य के प्रत्येक वृक्क की लम्बाई 10-12 सेमी., चौड़ाई 5-7 सेमी., मोटाई $2-3$ सेमी. तथा भार लगभग 120-170 ग्राम होता है। वृक्क के केंद्रीय भाग की भीतरी अवतल (कॉन्केव) सतह के मध्य में एक खांच होती है, जिसे हाइलम कहते हैं। इसे होकर मूत्र-नलिका, रक्त वाहिनियाँ और तंत्रिकाएं प्रवेश करती हैं। हाइलम के भीतरी ओर कीप के आकार का रचना होती है जिसे वृक्कीय श्रोणि (पेल्विस) कहते हैं तथा इससे निकलने वाले प्रक्षेपों (प्रोजेक्शन) को चषक (कैलिक्स) कहते हैं। वृक्क की बाहरी सतह पर दृढ़ संपुट होता है। वृक्क में दो भाग होते हैं - बाहरी वल्कुट (कॉर्टेक्स) और भीतरी मध्यांश (मेडुला)। मध्यांश कुछ शंक्वाकार पिरामिड (मध्यांश पिरामिड)में बँटा होता है जो कि चषकों में फैले रहते हैं। वल्कुट मध्यांश पिरामिड (पिंडों) के बीच फैलकर वृक्क स्तंभ बनाते हैं, जिन्हें बरतीनी-स्तंभ (Columns of Bertini) कहते हैं (चित्र 16.2)।
चित्र 16.2 वृक्क का भाग
प्रत्येक वृक्क में लगभग 10 लाख जटिल नलिकाकार संरचना वृक्काणु ( नेफ्रोन ) पाई जाती हैं जो क्रियात्मक इकाइयाँ हैं (चित्र 16.3)। प्रत्येक वृक्काणु के दो भाग होते हैं। जिन्हें गुच्छ (ग्लोमेरूलस) और वृक्क नलिका कहते हैं। गुच्छा वृक्कीय धमनी की शाखा अभिवाही धमनिकाओं (afferent arteriole) से बनी केशिकाओं (कैपिलरी) का एक गुच्छ है। ग्लोमेरूलस से रक्त अपवाही धमनिका (efferent arteriole) द्वारा ले जाया जाता है।
चित्र 16.3 रक्त वाहिनियाँ, वाहिनियाँ तथा नलिकाएं प्रदर्शित करता हुआ एक नेफ्रोन
वृक्क नलिका दोहरी झिल्ली युक्त प्यालेनुमा बोमेन संपुट से प्रारंभ होती है, जिसके भीतर गुच्छ होता है। गुच्छ और बोमेन संपुट मिलकर मेल्पीगीकाय अथवा वृक्क कणिका (कार्पसल) बनाते हैं (चित्र 16.4)। बोमेन संपुट से एक अति कुंडलित समीपस्थ संवलित नलिका (पीसीटी) प्रारंभ होती है, इसके बाद वृक्काणु में हेयर पिन के आकार का हेनले-लूप (Henle’s loop) पाया जाता है, जिसमें आरोही व अवरोही भुजा होती है। आरोही भुजा से एक ओर अति कुंडलित नलिका, दूरस्थ संवलित नलिका (डीसीटी) प्रारंभ होती है। अनेक वृक्काणुओं की दूरस्थ संवलित नलिकाएं एक सीधी संग्रह नलिका में खुलती हैं। अनेक संग्रह नलिकाएं मिलकर चषकों के बीच स्थित मध्यांश पिरामिड से गुजरती हुई वृक्कीय श्रोणि में खुलती हैं। वृक्काणु की वृक्क कणिका, समीपस्थ संवलित नलिका, दूरस्थ संवलित नलिका आदि वृक्क के वल्कुट भाग में, जबकि हेनले-लूप मध्यांश में, स्थित होते हैं।अधिकांश वृक्काणु के हेनले-लूप बहुत छोटे होते हैं और मध्यांश में बहुत कम धँसे रहते हैं ऐसे वृक्काणुओं को वल्कुटीय वृक्कक कहते हैं। कुछ वृक्काणुओं के हेनले-लूप बहुत लंबे होते हैं तथा मध्यांश में काफी गहराई तक धंसे रहते हैं। इन्हें सान्निध्य मध्यांश वृक्काणु (जक्सटा मेडुलरी नेफ्रोन) कहते हैं (चित्र 16.5)।
चित्र 16.4 बोमेन सम्पुट/मैलपीगी काय/वृक्क कार्पसल
गुच्छ से निकलने वाली अपवाही धमनिका, वृक्कीय नलिका के चारों ओर सूक्ष्म केशिकाओं का जाल बनाती हैं, जिसे परिनालिका केशिका जाल कहते हैं। इस जाल से निकलने वाली एक एक सूक्ष्म वाहिका हेनले-लूप के समानांतार चलते हुए ‘यू’ (‘U’) आकार की संरचना वासा रेक्टा बनाती है। वल्कुटीय वृक्काणु में वासा रेक्टा या तो अनुपस्थित या अत्यधिक ह्रासित होती है।
16.2 मूत्र निर्माण
मूत्र निर्माण में 3 मुख्य प्रक्रियाएं सम्मिलित हैं - गुच्छीय निस्यंदन, पुनःअवशोषण, स्रवण जो वृक्काणु के विभिन्न भागों में होता है।
मूत्र निर्माण के प्रथम चरण में केशिकागुच्छ द्वारा रक्त का निस्यंदन होता है जिसे गुच्छ या गुच्छीय निस्यंदन कहते हैं। वृक्कों द्वारा प्रति मिनट औसतन 1100-1200 मिली. रक्त का निस्यंदन किया जाता है जो कि हृदय द्वारा एक मिनट में निकाले गए रक्त के $1 / 5$ वें भाग के बराबर होता है। गुच्छ की केशिकाओं का रक्त-दाब रुधिर का 3 परतों में से निस्यंदन करता है। ये तीन परते हैं गुच्छ की रक्त केशिका की आंतरिक उपकला, बोमेन संपुट की उपकला तथा इन दोनों पर्तों के बीच पाई जाने वाली आधार झिल्ली। बोमेन संपुट की उपकला कोशिकाएं पदाणु (पोडोसाइट्स) कहलाती हैं, जो विशेष प्रकार से विन्यसित होती हैं, जिससे कुछ छोटे-छोटे अवकाश बीच में रह जाते हैं। इन्हें निस्यंदन खांच या खांच छिद्र (स्लिटपोर) कहते हैं। इन झिल्लियों से रुधिर इतनी अच्छी तरह छनता है कि जिससे रुधिर के प्लाज्मा की प्रोटीन को छोड़कर प्लाज्मा का शेषभाग छन कर संपुट की गुहा में इकट्ठा हो जाता है। इसलिए इसे परा-निस्यंदन (अल्ट्रा फिल्ट्रेशन) कहते हैं। वृक्कों द्वारा प्रति मिनट निस्यंदित की गई मात्रा गुच्छीय निस्यंदन दर (GFR) कहलाती है। एक स्वस्थ व्यक्ति में यह दर 125 मिली. प्रति मिनट अर्थात् 180 लीटर प्रति दिन है।
गुच्छ निस्यंदन की दर के नियमन के लिए वृक्कों द्वारा क्रिया विधि अपनाई जाती है। गुच्छीय आसन्न उपकरण द्वारा एक अति सूक्ष्म क्रियाविधि संपन्न की जाती है। यह विशेष संवेदी उपकरण अभिवाही तथा अपवाही धमनिकाओं के संपर्क स्थल पर दूरस्थ संवलित नलिका की केशिकाओं के रूपांतरण से बनता है। गुच्छ निस्यंदन दर में गिरावट इन आसन गुच्छ केशिकाओं को रेनिन के स्रवण के सक्रिय करती है जो वृक्कीय रुधिर का प्रवाह बढ़ाकर गुच्छ निस्यंदन दर को पुनः सामान्य कर देती है।
प्रतिदिन बनने वाले निस्यंद के आयतन (180 लीटर प्रति दिन) की उत्सर्जित मूत्र ( 1.5 लीटर) से तुलना की जाए तो यह समझा जा सकता है कि 99 प्रतिशत निस्यंद को वृक्क नलिकाओं द्वारा पुनः अवशोषित किया जाता है जिसे पुन:अवशोषण कहते हैं। यह कार्य वृक्क नलिका की उपकला कोशिकाएं अलग-अलग खंडों में सक्रिय अथवा निष्क्रिय क्रियाविधि द्वारा करती हैं। उदाहरणार्थ निस्यंद पदार्थ जैसे ग्लूकोज, एमीनो अम्ल, $\mathrm{Na}^{+}$इत्यादि सक्रिय रूप से परिवहन से पुनरावशोषित कर लिए जाते हैं; जबकि नाइट्रोजनी निष्क्रिय रूप से अवशोषित होते हैं। वृक्काणु के प्रारंभिक भाग में जल का पुनरावशोषण निष्क्रिय क्रिया द्वारा होता है (चित्र 16.5)।
मूत्र निर्माण के दौरान नलिकाकार कोशिकाएं निस्यंद में $\mathrm{H}^{+}, \mathrm{K}^{+}$और अमोनिया जैसे पदार्थो को स्रवित करती हैं। नलिकाकार स्रवण भी मूत्र निर्माण का एक मुख्य चरण है; क्योंकि यह शारीरिक तरल आयनी व अम्ल-क्षार संतुलन को बनाए रखता है।
16.3 वृक्क नलिका के विभिन्न भागों के कार्य
समीपस्थ संवलित नलिका : यह नलिका सरल घनाकार ब्रुश बार्डर उपकला से बनी होती है जो पुनरावशोषण के लिए सतह क्षेत्र को बढ़ाती है। लगभग सभी आवश्यक पोषक तत्व, $70-80$ प्रतिशत वैद्युत-अपघट्य और जल का पुन: अवशोषण इसी भाग द्वारा होता है। समीपस्थ संवलित नलिका शारीरिक तरलों के पीएच तथा आयनी संतुलन को इससे बनाए रखने के लिए $\mathrm{H}^{+}$और अमोनिया आयनों का निस्यंद में स्रवण और $\mathrm{HCO}_{3}^{-}$का पुनरावशोषण करती हैं।
हेनले-लूप : आरोही भुजा में न्यूनतम पुनरावशोषण होता है। यह भाग मंध्यांश में उच्च अंतराकाशी तरल की परासणता के नियमन में महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है। हेनले-लूप की अवरोही भुजा जल के लिए अपारगम्य होती है, परंतु वैद्युत अपघट्य के लिए सक्रियता से या धीरे-धीरे पारगम्य होती है। यह नीचे की ओर जाते हुए निस्यंद को सांद्र करती है। आरोही भुजा जल के लिए अपारगम्य होती है; लेकिन वैद्युत अपघट्य का अवशोषण सक्रिय या निष्क्रिय रूप से करती है। जैसे-जैसे सांद्र निस्यंद ऊपर की ओर जाता है, वैसे-वैसे वैद्युत अपघट्य के मध्यांश तरल में जाने से निस्यंद तनु (dilute) होता जाता है।
दूरस्थ संवलित नलिका ( DCT ) : विशिष्ट परिस्थितियों में $\mathrm{Na}^{+}$और जल का कुछ पुनरावशोषण इस भाग में होता है। दूरस्थ संवलित नलिका रक्त में सोडियम-पोटैसियम का संतुलन तथा $\mathrm{pH}$ बनाए रखने के लिए बाइकार्बोनेटस का पुनरावशोषण एवं $\mathrm{H}^{+}, \mathrm{K}^{+}$और अमोनिया का चयनात्मक स्रवण करती है।
चित्र 16.5 नेफ्रोन के विभिन्न भागों द्वारा प्रमुख पदार्थों का पुनरावशोषण एवं स्रवण ( 3 गमन की दिशा को प्रदर्शित करता है)
संग्रह नलिका : यह लंबी नलिका वृक्क के वल्कुट से मध्यांश के आंतरिक भाग तक फैली रहती है। मूत्र को आवश्यकतानुसार सांद्र करने के लिए जल का बड़ा हिस्सा इस भाग में अवशोषित किया जाता है। यह भाग मध्यांश की अंतरकाशी की परासरणता को बनाए रखने के लिए यूरिया के कुछ भाग को वृक्क मध्यांश तक ले जाता है। यह $\mathrm{pH}$ के नियमन तथा $\mathrm{H}^{+}$और $\mathrm{K}^{+}$आयनों के चयनात्मक स्रवण द्वारा रक्त में आयनों का संतुलन बनाए रखने में भी भूमिका निभाता है (चित्र 16.5)।
16.4 निस्यंद ( छनित) को सांद्रण करने की क्रियाविधि
स्तनधारी सांद्रित मूत्र का उत्पादन करते हैं। इस कार्य में हेनले-लूप और वासा रेक्टा महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं। हेनले-लूप की दोनों भुजाओं में निस्यंद का विपरीत दिशाओं में प्रवाह होता है, जिससे प्रतिधारा उत्पन्न होती है। वासा रेक्टा की दोनों भुजाओं में रक्त का बहाव भी प्रतिधारा प्रतिरूप (पैटर्न) में होता है। हेनले-लूप व वासा रेक्टा के बीच की नजदीकी तथा उनमें प्रतिधारा मध्यांशी अंतराकाश (मेडुलरी इंटरटिशियम) के परासरण दाब को विशेष प्रकार से नियमित करती है। परासरण दाब मध्यांश के बाहरी भाग से भीतरी भाग की ओर लगातार बढ़ता जाता है, जैसे कि वल्कुट की ओर 300 $\mathrm{mOsm}$ /लीटर से आंतरिक मध्यांश में लगभग $1200 \mathrm{mOsm} /$ लीटर। यह प्रवणता सोडियम क्लोराइड तथा यूरिया के कारण बनती है। $\mathrm{NaCl}$ का परिवहन हेनले-लूप की आरोही भुजा द्वारा होता है। जिसे हेनले-लूप की अवरोही भुजा के साथ विनमित किया है। सोडियम क्लोराइड, अंतराकाश को वासा रेक्टा की आरोही भुजा द्वारा लौटा दिया जाता है। इसी प्रकार यूरिया की कुछ मात्रा हेनले-लूप के पतले आरोही भाग में विसरण द्वारा प्रविष्ट होती है जो संग्रह नलिका द्वारा अंतराकाशी को पुनः लौटा दी जाती है। ऊपर वर्णित पदार्थों का परिवहन, हेनले-लूप तथा वासा रेक्टा की विशेष व्यवस्था द्वारा सुगम बनाया जाता है जिसे प्रतिधारा क्रियाविधि कहते हैं। यह क्रियाविधि मध्यांश के अंतराकाशी की प्रवणता को बनाए रखती है। इस प्रकार की अंतराकाशीय प्रवणता संग्रह नलिका द्वारा जल के सहज अवशोषण में योगदान करती है और निस्यंद का सांद्रण करती है (चित्र 16.6)। हमारे वृक्क प्रारंभिक निस्यंद की अपेक्षा लगभग चार गुना अधिक सांद्र मूत्र उत्सर्जित करते हैं। यह निश्चित ही जल के ह्रास को रोकने की मुख्य क्रियाविधि है।
चित्र 16.6 नेफ्रोन तथा वासा रेक्टा द्वारा निर्मित प्रतिधारा प्रवाह क्रियाविधि
16.5 वृक्क क्रियाओं का नियमन
वृक्कों की क्रियाविधि का नियंत्रण और नियमन हाइपोथैलेमस के हार्मोन की पुनर्भरण क्रियाविधि, (सान्निध्य गुच्छ उपकरण), (जेजीए) और कुछ सीमा तक हद्य द्वारा होता है।
शरीर में उपस्थित परासरण ग्राहियाँ रक्त आयतन/शरीर तरल आयतन और आयनी सांद्रण में बदलाव द्वारा सक्रिय होती हैं। शरीर से मूत्र द्वारा जल का अत्यधिक ह्वास (मूत्रलता/डाइयूरेसिस) इन ग्राहियों को सक्रिय करता है, जिससे हाइपोथैलेमस प्रतिमूत्रल हार्मोन (एंटीडाइयूरेटि हार्मोन) (एडीएच) और न्यूरोहाइपोफाइसिस को वैसोप्रेसिन के स्राव हेतु प्रेरित करता है। एडीएच नलिका के अंतिम भाग में जल के पुनरावशोषण को सुगम बनाता है और मूत्रलता को रोकता है। शरीर तरल के आयतन में वृद्धि परासण ग्रहियों को निष्क्रिय कर देती है और पुनर्भरण को पूरा करने के लिए एडीएच के स्रवण का निरोध करती है। एडीएच वृक्क के कार्यों को रक्त वाहिनियों पर सकुचनी प्रभावों द्वारा भी प्रभावित करता है। इससे रक्त दाब बढ़ जाता है। रक्तदाब बढ़ जाने से गुच्छ प्रवाह बढ़ जाता है और इससे जीएफआर बढ़ जाता है।
जेजीए की जटिल नियमनकारी भूमिका है। गुच्छीय रक्त प्रवाह/गुच्छीय रक्त दाब/जीएफआर में गिरावट से जेजी कोशिकाएं सक्रिय होकर रेनिन को मुक्त करती है। रेनिन रक्त में उपस्थित ऐंजिओटेंसिनोजन को एंजियोटेंसिन-I और बाद में एंजियोटेंसिन-द्वितीय में बदल देती है। एंजियोटेंसिन द्वितीय एक प्रभावकारी वाहिका संकीर्णक (वेसोकेंसट्रिक्टर) है जो गुच्छीय रुधिर दाब तथा जीएफआर को बढ़ा देता है। एंजोयोटेंसिन द्वितीय अधिवृक्क वल्कुट को एल्डोस्टीरोन हार्मोन स्रवण के लिए प्रेरित करता है। एल्डोस्टीरोन के कारण नलिका के दूरस्थ भाग में $\mathrm{Na}^{+}$तथा जल का पुनरावशोषण होता है। इससे भी रक्त दाब तथा जीएफआर में वृद्वि होती है। यह जटिल क्रियाविधि रेनिन एंजियोटेंसिन क्रियाविधि कहलाती है।
हृदय के अलिंदों में अधिक रुधिर के बहाव से अलिंदीय नेट्रियेरेटिक कारक (एएनएफ) स्रवित होता है। एएनएफ से वाहिकाविस्फारण (रक्त वाहिकाओं का विस्फारण) होता है जिससे रक्त दाब कम हो जाता है। इस प्रकार से एएनएफ क्रियाविधि रेनिन-एंजियोटेंसिन क्रियाविधि पर नियंत्रक का काम करता है।
16.6 मूत्रण
वृक्क द्वारा निर्मित मूत्र अंत में मूत्राशय में जाता है और केंद्रीय तंत्रिका तंत्र द्वारा ऐच्छिक संकेत दिए जाने तक संग्रहित रहता है। मूत्राशय में मूत्र भर जाने पर उसके फैलने के फलस्वरूप यह संकेत उत्पन्न होता है। मूत्राशय भित्ति से इन आवेगों को केंद्रीय तंत्रिका तंत्र में भेजा जाता है। केंद्रीय तंत्रिका तंत्र से मूत्राशय की चिकनी पेशियों के संकुचन तथा मूत्राशयी-अवरोधिनी के शिथिलन हेतु एक प्रेरक संदेश जाता है, जिससे मूत्र का उत्सर्जन होता है। मूत्र उत्सर्जन की क्रिया मूत्रण कहलाती है और इसे संपन्न करने वाली तंत्रिका क्रियाविधि मूत्रण-प्रतिवर्त कहलाती है।
एक वयस्क मनुष्य प्रतिदिन औसतन 1-1.5 लीटर मूत्र उत्सर्जित करता है। मूत्र एक विशेष गंध युक्त जलीव तरल है, जो रंग में हल्का पीला तथा थोड़ा अम्लीय $(\mathrm{pH}-6)$ होता है ( $\mathrm{pH}-6)$ । औसतन प्रतिदिन $25-30$ ग्राम यूरिया का उत्सर्जन होता है। विभिन्न अवस्थाएं मूत्र की विशेषताओं को प्रभावित करती हैं। मूत्र का विश्लेषण वृक्कों के कई उपापचयी विकारों और उनके ठीक से कार्य न करने को कुसंक्रिया जैसे रोग निदान में मदद करता है। उदाहरण के लिए मूत्र में ग्लूकोस की उपस्थिति (ग्लाइकोसूरिया) तथा कीटोन काय की उपस्थिति (कीटोनयूरिया) मधुमेह (डाइबिटीज मेलीटस) के लक्षण है।
16.7 उत्मर्जन में अन्य अंगों की भूमिका
वृक्कों के अलावा फुप्फुस यकृत और त्वचा भी उत्सर्जी अपशिष्टों को बाहर निकालने में मदद करते हैं।
हमारे फेफड़े प्रतिदिन भारी मात्रा में $\mathrm{CO}_{2}$ (लगभग $200 \mathrm{ml} /$ मिनट) और जल की पर्याप्त मात्रा का निष्कासन करते हैं। हमारे शरीर की सबसे बड़ी ग्रंथि यकृत ‘पित्त’ का स्राव करती है जिसमें बिलिरूबिन, बिलीविरडिन, कॉलेस्ट्रॉल, निम्नीकृत स्टीरॉयड हार्मोन, विटामिन तथा औषध आदि होते हैं। इन अधिकांश पदार्थों को अंततः मल के साथ बाहर निकाल दिया जाता है। त्वचा में उपस्थित स्वेद ग्रंथियाँ तथा तैल-ग्रंथियाँ भी स्राव द्वारा कुछ पदार्थों का निष्कासन करती हैं। स्वेद ग्रंथि द्वारा निकलने वाला पसीना एक जलीय द्रव है, जिसमें नमक, कुछ मात्रा में यूरिया, लैक्टिक अम्ल इत्यादि होते हैं। हालाकि पसीने का मुख्य कार्य वाष्पीकरण द्वारा शरीर सतह को ठंडा रखना है; लेकिन यह ऊपर बताए गए कुछ पदार्थों के उत्सर्जन में भी सहायता करता है। तैल-ग्रंथियाँ सीबम द्वारा कुछ स्टेरोल, हाइड्रोकार्बन एवं मोम जैसे पदार्थों का निष्कासन करती हैं। ये स्राव त्वचा को सुरक्षात्मक तैलीय कवच प्रदान करते हैं। क्या आप जानते हैं कि कुछ नाइट्रोजनी अपशिष्टों का निष्कासन लार द्वारा भी होता है?
16.8 वृक्क-विकृतियाँ
वृक्कों की कुसंक्रिया के फलस्वरूप रक्त में यूरिया एकत्रित हो जाता है। जिसे यूरिमिया कहते हैं जो कि अत्यंत हानिकारक है। यह वृक्क-पात के लिए मुख्यरूप से उत्तरदायी है। इसके मरीजों में यूरिया का निष्कासन हीमोडायलिसिस (रक्त अपोहन) द्वारा होता है, रक्त अपोहन (हीमोडायलिसिस) के प्रक्रम में रोगी की धमनी से रक्त निकालकर उसमें हिपेरिन जैसा कोई थक्का रोधी मिलाकर अपोहनकारी इकाई में भेजा जाता है। जिसे कृत्रिम वृक्क कहते हैं। इस इकाई में कुंडलित सेलोफेन नली होती है और यह ऐस द्रव से घिरी रहती है, जिसका संगठन नाइट्रोजनी अपशिष्टों को छोड़कर प्लाज्मा के समान होता है। छिद्रयुक्त सेलोफेन झिल्ली से अपोहनी द्रव में अणुओं का आवागमन सांद्र प्रवणता के अनुसार होता है। अपोहनी द्रव में नाइट्रोजनी अपशिष्ट अनुपस्थित होते हैं, अतः ये पदार्थ बाहर की ओर गमन करते हैं और रक्त को शुद्ध करते हैं। शुद्ध रक्त में हीपेरिन विरोधी डालकर, उसे रोगी की शिराओं द्वारा पुनः शरीर में भेज दिया जाता है। यह विधि संसार में यूरेमिक व्याधि से हजारों पीड़ितों के लिए एक वरदान है।
वृक्क की क्रियाहीनता को दूर करने का अंतिम उपाय वृक्क प्रत्यारोपण है। प्रत्यारोपण में मुख्यतया निकट संबंधी दाता के क्रियाशील वृक्क का उपयोग किया जाता है, जिससे प्राप्तकर्ता का प्रतिरक्षा तंत्र उसे अस्वीकार नहीं करे। आधुनिक क्लीनिकल विधियाँ इस प्रकार की जटिल तकनीक सफलता की दर को बढ़ाती है।
रीनल केलकलाई: वृक्क में बनी पथरी या अघुलनशील क्रिस्टलित लवण के पिंड (जैसे ऑक्सलेट आदि)। ग्लोमेलोनेफ्राइटिस ( गुच्छ शोथ ): वृक्क के गुच्छ-शोथ की प्रदाहकता।
सारांश
शरीर में विभिन्न क्रियाओं द्वारा कई नाइट्रोजनी पदार्थ, आयन, $\mathrm{CO}_{2}$ जल आदि इकट्ठे हो जाते हैं, जिसमें से अधिकांश शरीर को समस्थापन में रखने के लिए विभिन्न विधियों द्वारा निष्कासित किए जाते हैं। भिन्न-भिन्न प्राणियों में नाइट्रोजनी अपशिष्टों की प्रकृति, उनका निर्माण और उत्सर्जन विभिन्न प्रकार से होता है जो मुख्यत जल की उपलब्धता पर निर्भर करता है। उत्सर्जित किए जाने वाले मुख्य नाइट्रोजनी अपशिष्ट अमोनिया, यूरिया, यूरिक अम्ल हैं।
आदिवृक्ककी (प्रोटोनेफ्रीडिया), वृक्कक, मैलपीगी नलिकाएं, हरित ग्रंथियाँ और वृक्क प्राणियों के मुख्य उत्सर्जी अंग हैं। ये न केवल नाइट्रोजनी अपशिष्टों को शरीर से बाहर निकालते हैं; बल्कि शरीर द्रवों में आयनी और अम्ल क्षार संतुलन भी बनाए रखते हैं।
मानव के उत्सर्जी तंत्र में एक जोड़ी वृक्क, एक जोड़ी मूत्रवाहिनी, एक मूत्राशय और मूत्र मार्ग सम्मिलित हैं। प्रत्येक वृक्क में एक मिलियन नलिकाकार संरचनाएं वृक्काणु होते हैं। वृक्काणु वृक्क की क्रियात्मक इकाई है और उसके दो भाग होते हैं - गुच्छ और वृक्क नलिका। गुच्छ अभिवाही धमनिकायों से बना केशिकाओं का गुच्छ है जो कि वृक्क धमनी की सूक्ष्म शाखाएं होती है। वृक्क नलिका का प्रारंभ दोहरी भित्ति युक्त बोमन संपुट से होता है जो आगे समीपस्थ संवलित नलिका (पीसीटी) हेनले-लूप और दूरस्थ संचलित (डीसीटी) नलिका में विभेदित होती है। कई वृक्काणु की दूरस्थ संवलित नलिकाएं एकत्रित होकर संग्रह नलिका बनाती हैं जो अंत में मध्यांश पिरामिड में से होकर वृक्कीय श्रोणि में खुलती हैं। बोमन-संपुट एवं गुच्छ मिलकर मेलपीगी काय या वृक्क कणिका (कापर्सल) बनाते हैं।
मूत्र निर्माण में 3 मुख्य प्रक्रियाएं होती है - निस्यंदन, पुनरावशोषण और स्रवण। निस्यंदन, गुच्छ द्वारा केशिकाओं के रक्त दाब का उपयोग कर संपादित की जाने वाली अचयनात्मक प्रक्रिया है। गुच्छ द्वारा बोमेन-संपुट में प्रति मिनट 125 मिली. निस्यंद बनाने के लिए प्रति मिनट 1200 मिली. रक्त का निस्यंदन होता है (जीएफआर)। वृक्काणु के विशेष भाग जेजीए की जीएफआर के नियमन में महत्वपूर्ण भूमिका है। निस्यंद के 99 प्रतिशत भाग का वृक्काणु के विभिन्न भागों द्वारा पुनरावशोषण किया जाता है। समीपस्थ संवलित नलिका पीसीटी पुनरावशोषण और चयनात्मक स्रवण का मुख्य स्थान है। वृक्क मध्यांश अंतराकाशी में हेनले-लूप परासरण प्रवणता ( $300 \mathrm{mOsm} / \mathrm{L}$ से $1200 \mathrm{mOsm} /$ लीटर) को नियमित करने में सहायता करता है। दूरस्थ संवलित नलिका (डीसीटी) और संग्रह नलिका जल और विद्युत अपघट्यों का पुनरावशोषण करती हैं, जो परासरण नियमन में सहायक है। शरीर-तरल के आयनी साम्य और उसके $\mathrm{pH}$ को बनाए रखने के लिए नलिकाओं द्वारा $\mathrm{H}^{+}, \mathrm{K}^{+}$और $\mathrm{NH}_{3}$ निस्यंद स्रवित होते हैं। अमोनिया का नलिकाओं द्वारा स्राव भी होता है।
प्रतिधारा क्रियाविधि हेनले-लूप की दो भुजाओं और वासा-रेक्टा के बीच कार्य करती है। निस्यंद जैसे-जैसे अवरोही भुजा में नीचे उतरता है, वैसे-वैसे सांद्र होता जाता है, लेकिन आरोही भुजा में यह पुनः तनु हो जाता है। इस व्यवस्था के द्वारा वैद्युत अपघट्य और कुछ यूरिया, अंतराकाशी स्थल में बचे रह जाते हैं। डी. सी.टी. और संग्रह नलिका निस्यंद को 4 गुना अधिक सांद्र कर देते हैं - अर्थात् $300 \mathrm{mOsm} /$ लीटर से 1200 $\mathrm{mOsm} /$ लीटर तक यह जल संरक्षण की उत्तम क्रियाविधि है। मूत्राशय में मूत्र का संग्रह केंद्रीय तंत्रिका तंत्र द्वारा ऐच्छिक संकेत प्राप्त होने तक किया जाता है। संकेत प्राप्त होने पर मूत्र मार्ग द्वारा इसका निष्कासन मूत्रण कहलाता है। त्वचा, फेफड़े और यकृत भी उत्सर्जन में सहयोग करते हैं।
अभ्यास
1. गुच्छीय निस्यंद दर (GFR) को पारिभाषित कीजिए।
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#Content Missing2. गुच्छीय निस्यंद दर (GFR) की स्वनियमन क्रियाविधि को समझाइए।
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#Content Missing3. निम्नलिखित कथनों को सही अथवा गलत में इंगित कीजिए।
(अ) मूत्रण प्रतिवर्ती क्रिया द्वारा होता है।
(ब) एडीएच मूत्र को अल्पपरासरणी बनाते हुए जल के निष्कासन में सहायक होता है।
(स) बोमेन-संपुट में रक्तप्लाज्मा से प्रोटीन रहित तरल निस्यंदित होता है।
(द) हेनले-लूप मूत्र के सांद्रण में महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है।
(य) समीपस्थ संवलित नलिका (PCT) में ग्लूकोस सक्रिय रूप से पुनः अवशोषित होता है।
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#Content Missing4. प्रतिधारा क्रियाविधि का संक्षेप में वर्णन कीजिए।
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#Content Missing5. उत्सर्जन में यकृत, फुप्फुस तथा त्वचा का महत्व बताइए।
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#Content Missing6. मूत्रण की व्याख्या कीजिए।
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#Content Missing7. स्तंभ I के बिंदुओं का खंड स्तंभ II से मिलान करें।
स्तंभ I | स्तंभ II |
---|---|
(i) अमोनियोत्सर्जन | (अ) पक्षी |
(ii) बोमेन-संपुट | (ब) जल का पुनः अवशोषण |
(iii) मूत्रण | (स) अस्थिल मछलियाँ |
(iv) यूरिकाअम्ल उत्सर्जन | (द) मूत्राशय |
(v) एडीएच | (य) वृक्क नलिका |
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#Content Missing8. परासरण नियमन का अर्थ बताइए।
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#Content Missing9. स्थलीय प्राणी सामान्यतया यूरिया उत्सर्जी या यूरिक अम्ल उत्सर्जी होते हैं तथा अमोनिया उत्सर्जी नहीं होते हैं, क्यों?
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#Content Missing10. वृक्क के कार्य में जक्सटागुच्छउपकरण (JGA) का क्या महत्व है?
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#Content Missing11. नाम का उल्लेख कीजिए:
(अ) एक कशेरुकी जिसमें ज्वाला कोशिकाओं द्वारा उत्सर्जन होता है।
(ब) मनुष्य के वृक्क के वल्कुट के भाग जो मध्यांश के पिरामिड के बीच धँसे रहते हैं।
(स) हेनले-लूप के समानांतर उपस्थित केशिका का लूप।
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#Content Missing12. रिक्त स्थानों की पूर्ति करें :-
(अ) हेनले-लूप की आरोही भुजा जल के लिए ___________ जबकि अवरोही भुजा इसके लिए ___________ है।
(ब) वृक्क नलिका के दूरस्थ भाग द्वारा जल का पुनरावशोषण _____________ हार्मोन द्वारा होता है।
(स) अपोहन द्रव ____________ में पदार्थ के अलावा रक्त प्लाज्मा के अन्य सभी पदार्थ उपस्थित होते हैं।
(द) एक स्वस्थ व्यस्क मनुष्य द्वारा औसतन ___________ ग्राम यूरिया का प्रतिदिन उत्सर्जन होता है।