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第1章细胞的基本功能 1-1 细胞膜的结构 对细胞的结构与功能的研究从 ...
第1章细胞的基本功能 1-1 细胞膜的结构 对细胞的结构与功能的研究从 ...
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第1章 细胞的基本功能
1-1 细胞膜的结构
对细胞的结构与功能的研究从宏观到微观经历了细胞水平、亚细胞水平和分子水平几个层次，与光学显微镜和电子显微镜的研制、开发及其技术不断向生物科学中渗透分不开。
从低等生物到高等哺乳动物的细胞膜都有类似的结构，在电子显微镜下可分为3层:膜的内外两侧，即靠细胞质侧和细胞外液侧是致密层，中间夹有透明层。细胞膜的化学分析结果表明，细胞膜主要由脂质分子(lipid molecule)和蛋白质分子(protei...
第1章细胞的基本功能 1-1 细胞膜的结构 对细胞的结构与功能的研究从 ...
第1章 细胞的基本功能
1-1 细胞膜的结构
对细胞的结构与功能的研究从宏观到微观经历了细胞水平、亚细胞水平和分子水平几个层次，与光学显微镜和电子显微镜的研制、开发及其技术不断向生物科学中渗透分不开。
从低等生物到高等哺乳动物的细胞膜都有类似的结构，在电子显微镜下可分为3层:膜的内外两侧，即靠细胞质侧和细胞外液侧是致密层，中间夹有透明层。细胞膜的化学结果表明，细胞膜主要由脂质分子(lipid molecule)和蛋白质分子(protein molecule)组成，此外还有少量糖类物质。关于这几种物质的分子在细胞膜中的排列形式及由其所决定的细胞膜的基本生物学特性，曾有多种假说，其中被较多实验事实所支持、目前仍被大多数学者所接受的是由Singer 和 Nicholson (1972) 提出的液态镶嵌模型(fluid mosaic model)。该模型的基本内容是:膜以液态的脂质双分子层(lipid bilayer)为基架，其中镶嵌着具有不同分子结构和生理功能的蛋白质分子。
液态脂质双分子层基架由磷脂(占脂质总量的70%以上)和胆固醇(低于30%)组成。脂质双分子层具有稳定性和流动性，使细胞能承受相当大的张力和外形改变而不至于破裂，即使膜的结构发生了一些较小的断裂，也容易自动融合和修复。由于细胞膜是以脂质双分子层为骨架，所以水和水溶性物质一般不能自由通过细胞膜。不同细胞的细胞膜和细胞膜的不同部分，因脂质的成分和含量不完全相同也影响到了细胞膜的特性和功能。如细胞膜外侧面的脂质多为磷脂酰胆碱和含胆碱的鞘脂;而细胞膜胞质一侧的脂质多为磷脂酰乙醇胺和磷脂酰丝氨酸;胆固醇的含量在两层脂质中差别不大，但胆固醇含量高的细胞膜，流动性差;近年来发现含量较少、与跨膜信息传递有关的磷脂酰肌醇几乎都在膜的靠胞质的一侧。
膜蛋白约占细胞膜质量的55%，它们具有不同的分子构象和功能。现已证明，各种细胞膜蛋白质分子，它们以α螺旋或球形结构镶嵌在脂质双分子层中。依据膜蛋白镶嵌在脂质双层中的方式与牢固程度，可分为内在蛋白(intrinsic or integral protein)和表面蛋白(surface or extrinsic protein)两大类。内在蛋白(又称整合蛋白，integral protein)是跨膜蛋白，与膜结合紧密很难分离，其分子的疏水部分埋植于脂质双层内，亲水部分突出于细胞膜的内侧或外侧面。表面蛋白分布在脂质双分子层的内、外两侧面，好像被吸附在膜的表面，以非共价键与膜脂质分子的亲水性头部或与内在蛋白突向膜表面的亲水性部分相结合;有些蛋白还通过连接一些脂肪酸链，以协助它们固定于膜表面。它们与膜的结合较为疏松，容易与膜分离。许多细胞内表面的骨架蛋白就属于表面蛋白。镶嵌在脂质双分子层的蛋白质的功能有:? 形成细胞的骨架蛋白(anchoring protein)，可使细胞膜附着在另一细胞的膜上，或使其附着在细胞内或细胞外的某物质上;? 作为“识别蛋白”(recorgnition protein)，存在于免疫细胞膜上，能识别异体细胞的蛋白质或癌细胞;? 具有酶(enzyme)的特性，能催化细胞内外的化学反应;? 作为“受体蛋白”(receptor protein)，能与信息传递物质(激素或递质)进行特异性结合，并引起细胞反应;? 作为转运蛋白或载体蛋白(carrier protein)、通道蛋白(channel protein)和膜泵(membrane pump)，与细胞膜的物质转运功能有关。
细胞膜内还含有少量糖类，主要是一些寡糖和多糖。它们都是以共价键的形式与膜的脂质或蛋白质结合，形成糖脂或糖蛋白。这些糖链绝大部分裸露在膜的外表面的一侧。
1-2 渗透与溶剂拖曳
渗透(osmosis)是扩散的一种特例，是指水分子的跨膜扩散过程。因为溶液中的水分子浓度比纯水中的低，所以将同体积的水溶液和纯水分别放在仅能使水通过而不能让溶质通过的半透膜两侧时，水分子则会因水的浓度差，从纯水的一侧跨膜到水溶液的一侧，直到两侧水浓度达到平衡。这种水移动过程称为渗透。如果在水溶液一侧施加压力，则可阻止水分子从纯水向水溶液一侧的转移，所需要的压力即是该溶液的渗透压(osmotic pressure)。在生物体内，许多细胞膜、细胞器膜、小血管及某些小管壁都具有这种半透膜特征。
疏水性的脂质双分子层对水的通透性很低，水通过它的速度很慢，所以，水能快速地通过细胞膜乃是依靠细胞膜上特异性蛋白质分子(水通道)而进行的。
当水分子扩散时，有些溶质可随着水分子一起被转运，称为溶剂拖曳(solvent drag)。 1-3 离子通道、水通道的研究发现及2003年度的诺贝尔化学奖
细胞膜对离子的通透性取决于通道开放时水相孔道的大小和孔道壁带电情况。K+、Na+在水中均为水合状态，当它们通过离子通道时，必须脱去表层的水膜，以减小直径才便于通过。1998年，美国MacKinnon实验室在细菌中发现了一种对pH敏感的K+ 通道。通道由4个亚单位组成，每个亚单位含内螺旋和外螺旋各一条。4个亚单位垂直于脂质双层的平面，使分子尖端稍倾斜地插入细胞膜内形成圆锥形通道。各亚单位在细胞膜外连接两条螺旋的为一段肽段，包括胞外环、孔螺旋和选择性环3部分。每个亚单位的选择性环构成了通道外口的选择性滤器，决定着K+ 通道对离子的选择性。这是因为存在于选择性滤器内壁的羰基氧能提供能量、取代被水饱和的K+ 外围的水膜，促进K+ 通过该通道。但Na+ 因其直径太小，不能充分地和该K+ 通道内衬的羰基氧相互作用，水膜不易脱落，直径较大而较难通过;Ca2+ 的直径太大，自然不能通过该K+ 通道。
水分子的跨膜转运有单纯扩散和水通道(water channel)两种方式。水分子的单纯扩散存在于所有细胞，但速度较慢。人们很早就发现，肾远球小管和集合管重吸收水的量受抗利尿激素调节，这种现象不能用单纯扩散来解释，因而推测细胞膜中有可受激素调节的水通道存在。美国科学家Agre发现了水通道，并于1992年完成了水通道的分子克隆和功能鉴定。组成水通道的蛋白称为水孔蛋白(aquaporin， AQP)，目前已鉴定出10多种水孔蛋白，包括AQP0~AQP9和MIWC，各种的组织分布和功能特性不同，AQP1分布于具有分泌和吸收功能的上皮细胞，如近端肾小管上皮、脉络上皮、胆管和胆囊上皮、晶状体和睫状体上皮等，参与近端肾小管对水的重吸收、脑脊液的生成、胆汁的分泌和浓缩、房水的生成等生理过程。AQP2只分布于肾集合管上皮细胞顶端膜，抗利尿激素(血管升压素)可通过调节水通道插入细胞膜的数量来调节集合管上皮对水的通透性。
了解离子通道功能活动与分子结构的关系，不仅有助于阐明离子本身跨膜转运的机制，而且可以从更深层次上来认识生物电现象和信号转导过程，揭示离子通道疾病的发病机制。因此，这方面的研究已成为当前细胞生理学的一个热点，Agre和MacKinnon一同获得了2003年度的诺贝尔化学奖。 1-4 Na+-K，-ATP酶及1957年诺贝尔化学奖
20世纪50年代人们就在枪乌贼大神经轴突细胞膜上直接证实了Na+ 逆着浓度梯度的跨膜转运。并且这一转运过程必须在细胞外K+ 存在时才能达到最大转运率，表明Na+ 的外排与K+ 的内入相耦联，并计算出耦联的比例是3 Na+:2 K+:1ATP。此外还证明，钠泵可被强心苷特异性抑制。1957年丹麦科学家Skou在蟹的外周神经膜上分离出一种ATP酶，这种酶在同时存在Na+和K+的条件下被激活，和细胞内被K+ 激活的酶通常被Na+ 抑制的规律不同，同时该酶的活性能被强心苷抑制。因此他提出了Na+-K+-ATP酶就是钠泵的设想，并在以后的大量实验中得到证实。Skou也因此获得1957年度诺贝尔化学奖。 Na+、K+ 的主动转运是由Na+-K+-ATP依赖式酶的磷酸化和去磷酸化循环过程所驱动的一种耗能过程。钠泵是一个由α(催化)亚单位和β(调节)亚单位组成的二聚体蛋白质。在α亚单位的细胞膜的内侧面有与Na+ 和ATP结合位点及磷酸化位点，细胞外侧有与K+ 和一种细胞毒物(哇巴因，ouabain)的结合位点。当在细胞内α亚单位与Na+ 结合时，ATP也与之结合并且转变为ADP和磷酸，磷酸转移到磷酸化位点使α亚单位磷酸化，蛋白质构象改变。磷酸化后的α亚单位对Na+ 的亲和力下降，而对K+ 的亲和力增高，因此，能将Na+ 释放到细胞膜外;细胞膜外的K+ 却同时与α亚单位上的相应的结合位点结合，结果又使α亚单位去磷酸化，再返回到原来的构象。去磷酸化的α亚单位对Na+ 亲和力升高，对K+ 的亲和力降低，K+ 被释放到细胞膜内。
1-5 钙泵、氢泵和Na+-I- 泵
钙泵(calcium pump )也称Ca2+-ATP酶，位于细胞膜、肌质网或内质网膜上。细胞膜的钙泵每分解1个ATP，可将1个Ca2+ 由胞质转运到细胞外;肌质网或内质网膜上的钙泵每分解1个ATP，可将2个Ca2+ 由胞质转运到肌质网或内质网内。钙泵的主动转运和Na+-Ca2+ 交换体的活动共同使静息状态下胞质内的Ca2+ 浓度保持在0.1,0.2 μmol/L的低水平，仅为细胞外Ca2+ 浓度的万分之一，这一状态对维持细胞的正常生理功能具有重要作用。
氢泵也称质子泵，即H+-ATP酶，在肾的远曲小管和集合管上皮细胞的胞质中有许多囊泡，囊泡内含有H+-ATP酶，囊泡插入顶膜，就能发挥质子泵排H+ 作用。另外还有H+-K，-ATP酶，也称为质子泵，
分布在胃黏膜壁细胞表面和肾小管上皮细胞顶端，与H+ 的分泌有关。
Na+-I- 泵也称钠-碘同向转运体(sodium-iodide symporter)，位于甲状腺滤泡上皮细胞基底部，借助Na+-K+-ATP酶活动所提供的能量以一个I- 和2个Na+ 协同转运实现I- 的继发性主动转运。 1-6 由受体介导的胞饮
由受体介导的胞饮过程是:? 环境中的配体被细胞膜上的受体所“识别”，并与受体发生特异结合，形成受体-配体复合物;? 复合物在细胞膜上做横向运动，向细胞膜表面的一些称为有被小窝(coated pit)的部位集中;? 约1 min的时间，由于大量的受体-配体复合物的聚集，使凹陷进一步加深至0.3 μm时，有被小窝与细胞膜断裂形成独立的有被小泡;原来位于有被小窝内层的蛋白性结构现在位于有被小泡的外围面向胞质;? 以后这种蛋白结构消失(可能是溶解于胞质，为有被小泡的形成提供能量，也可能再用于细胞膜上，形成新的有被小窝)，有被小泡与胞质中的初级溶酶体 (primary lysosome) 相融合成为次级溶酶体(secondary lysosome);? 次级溶酶体中的酶使配体与受体分离;? 配体以扩散或主动转运的方式再度被转运到能利用它的细胞器中;? 保留在胞内的受体与一部分膜结构形成较小的循环小泡移到细胞膜处与细胞膜融合，重新成为细胞膜的一部分，使受体和膜结构可以重复使用，称为膜的再循环。与一般的胞饮作用相比较，以受体介导的胞饮速度快，特异性高。
1-7 大分子物质的跨核膜转运
真核细胞具有核膜。核膜是核与细胞质的屏障，能将遗传物质的复制、转录及蛋白质合成在时间和空间上分隔开来，保证各种生命活动之间互不干扰而又有条不紊地进行。核膜由内外两层膜、核间隙、核孔(nuclear pore)和核纤层组成。核孔实际上是一个蛋白质复合体，因此也称核孔复合体(nuclear pore complex，NPC)，是细胞质与细胞核之间物质交换的唯一通道，主要参与被动运输(自由扩散)和主动运输两种运输方式。作为一种被动运输通道，核孔复合体呈管状，内充满液体，该通道具有亲水性，允许离子和水溶性的小分子通过。直径在10 nm以下的物质原则上均能自由通过，相对分子质量小于5?103的分子可自由扩散，大于17?103的分子其扩散速度很慢，而超过60?103的分子则很难扩散。
在核孔复合体进行的主动运输中，核孔复合体具有严格的双向选择性，这种选择性主要表现在两个方面:? 限制运输物质的大小:在主动运输中核孔直径为10,20 nm，有时甚至达到26 nm，明显大于被动运输中的直径，而且核的直径可根据物质的大小自我调控。? 核孔的主动运输是一个信号识别与载体介导的过程，需要消耗ATP来提供能量，而选择性主要体现在运入和运出核物质的限制，有些分子如DNA聚合酶、RNA聚合酶、组蛋白和核糖体蛋白只允许运进细胞核，而翻译所需的RNA和装配好的核糖体等物质只能从细胞核运出。但有些蛋白质或RNA分子甚至两次或多次越过核孔复合体，如核糖体蛋白、核小RNA(small nuclear RNA，snRNA)等。
(1)亲核蛋白的入核转运
亲核蛋白(karyophillic protein)系指在细胞质内合成后能够进入细胞核内发挥功能的一类蛋白质。亲核蛋白一般都含有一段特殊的氨基酸序列，具有特定的核定位特征，被用来作为细胞内的分选信号，因此被命名为核定位序列或核定位信号(nuclear localization signal，NLS)。核定位信号的受体称为核输入受体(nuclear import receptor)。每一种核输入受体可识别一组具有相似核定位信号的亲核蛋白。核输入受体是可溶性的细胞基质蛋白，它既能与核定位信号结合，又可与核孔复合体的核孔蛋白(nucleoporin)结合，从而介导了蛋白质通过核孔通道的运输。
研究证明，核孔复合体的主动转运是借助NLS结合蛋白(NLS,binding protein，NBP)这一载体而完成的。NBP在运输NLS与核孔复合体运输装置之间可能作为一种接头分子而发挥作用。NBP分布在胞质或核膜上，其作用的方式可能有:? NBP本身就是核孔复合体的组分之一，结合亲核蛋白后直接将其运到核内;? 作为一种停泊受体(docking receptor)，在胞质内与NLS结合，然后把亲核蛋白运输到核孔复合体再向核内转运;? NBP作为一种穿梭受体，在细胞质内与亲核蛋白NLS结合将其运输到核内然后再返回胞质。
(2)大分子物质的出核转运
大分子物质(RNA、蛋白质)的出核转运也是由类似NLS的核定位信号介导的，称为出核运送信号
(nuclear export signal，NES)。被转运物质的某些结构域具有NES的作用。另外还发现一类特殊蛋白质兼有NES和NLS的两种功能，可迅速穿梭于细胞核与细胞质之间，该蛋白的某些序列复杂迅速地出核转运。有一些跨核膜转运体具有入核和出核双向转运功能。
Sutherland(1958) 发现，胰高血糖素和肾上腺素促进肝细胞分解糖的作用都是通过一种由他发现的新物质——cAMP(cyclic adenosine monophosphate，环腺苷一磷酸) 实现的。1965年他提出了激素作用的第二信使学说，即激素并不进入细胞内，只作为第一信使将信号带给细胞膜上特定的受体，再激活细胞膜上的效应器酶系统，使细胞内的ATP转化为cAMP;另一方面，cAMP又作为第二信使，将信号传送到效应器分子，产生反应。这是首次阐明信号跨膜转导途径，因此Sutherland获得1971年的诺贝尔奖。这一理论的提出，又引发了转导蛋白，即G蛋白的研究。Rodbell和Gilman相继发现几种激素(胰高血糖素、肾上腺素、ACTH)都是通过效应器酶系统催化ATP生成cAMP这一第二信使调节靶细胞活动。并认为，在受体和cAMP之间存在着一种被他们称为转导体的第三种分子，可将受体和效应器酶耦联起来。1987年Gilman成功地将能与GTP结合，并能将受体与效应器酶联系起来的转导蛋白从膜制备中分离出来，称为GTP的结合蛋白(简称G蛋白)，即前面提到的转导体。Gilman和Rodbell获得1994年度的诺贝尔奖。曾一度认为这只是激素类化学信号跨膜转导方式，但随后陆续发现在神经递质类物质中除了少数氨基酸类递质外，不论小分子经典递质，还是后来发现的数量众多的肽类物质(约50种)，甚至NO、CO气体也可以作为信使物质通过环化酶-第二信使完成跨膜信号转导。Furchgott，Lgnarro(1986) 和 Moncade(1987) 的三个研究小组由于发现并确定了NO的信使作用，而获得1998年诺贝尔奖。关于跨膜信号转导的研究，早已超出了递质或激素作用机制的范畴，成为细胞生理学中一个有普遍意义的新篇章。
1-9 N型ACh门控通道的分子结构
典型的化学门控通道多数是由2个 α 亚单位和β、γ、δ各为一个的亚单位组成的 α 2βγδ 五聚体，每个亚基肽段的N端、C端都在膜外，中间是4次穿过细胞膜的4个α螺旋(M1、M2、M3、M4，图1-7)。5个亚单位在膜内以非共价键相互吸引形成一个梅花样结构，并由 M2螺旋的亲水性氨基酸一侧围绕成离子孔道内壁;由于M2上的电荷特征这些通道分为阳离子通道和阴离子通道，前者可以是调节Na+ 内流的烟碱型ACh受体(nAChR)通道、调节Ca2+ 内流的谷氨酸受体 (GluR) 离子通道以及调节Na+、K+和Li+ 等通过的5-羟色胺受体(5-HT3R)通道(该通道主要分布于中枢神经系统和肠道中);后者可以是调节Cl- 流动的甘氨酸受体 (GlyR) 离子通道和γ-氨基丁酸受体(GABA4R)离子通道。目前研究较为清楚的是神经-肌肉接点上的N型乙酰胆碱门控通道，在它的2个α亚单位上有结合ACh的位点，当两个ACh分子与亚单位结合后，便引起通道蛋白的构象变化和通道开放。分布于突触后膜的甘氨酸受体Cl- 通道、5-羟色胺3型阳离子通道，以及谷氨酸、天冬氨酸受体阳离子通道，也是离子通道型受体。另外，分布于味觉细胞膜上的感受咸味(钠盐)刺激的受体，是化学门控通道，也属于通道型受体。 1-10 电压门控Na+、K+、Ca2+ 通道
电压门控的Na+、K+、Ca2+ 等通道都具有相似的结构和结构-功能关系模式，属同一基因家族。以电压门控Na+ 通道为例，它是一个由α、β1和 β2三个亚单位组成的通道。其中α亚单位是形成孔道的单位。α亚单位整个链可分为4个氨基酸序列十分相似的结构域(同源结构域，?,?)。4个结构域成正方形排列，其中心构成跨膜孔道。每个结构域又含有6个跨膜α螺旋，其中在第5至第6个α螺旋中间的细胞外环向内折叠构成了孔道的内壁，决定着通道所选择离子的性质。如利用基因突变技术，将孔道内的第1 422位的赖氨酸和第1 714位的丙氨酸用谷氨酸替代，则通道对离子的选择就由Na+ 改为Ca2+。每个结构域的第4个α螺旋都含有一定量的带正电荷的精氨酸和赖氨酸，这一段被认为是通道的电压感受器(voltage-sensor)，膜电位变化时，它可在电场作用下发生移动，导致通道构象的改变，使通道激活(activation)。用免疫抗体和基因突变技术还证明电压门控通道的关闭是位于结构域 ?,? 之间细胞内环上第1 489位的苯丙氨酸和它两侧的异亮氨酸和甲硫氨酸运动引起通道失活(inactivation)的结果。膜除极化时，它们向孔道移动，并堵塞Na+ 通道。如果将这3个氨基酸全部用谷氨酸取代，Na+ 通道便不能失活。
在下丘脑的渗透压敏感神经元膜上有一种牵张刺激引起失活的机械门控阳离子通道，当血浆渗透压降低时，该细胞因肿胀使细胞膜张力增大，致该通道失活，而阳离子通道失活则引起超极化，减少电压门控
Ca2+通道介导的Ca2+内流，并减少抗利尿激素的释放。除毛细胞外，单细胞的鞭毛虫、大肠杆菌、螯虾的牵张感受器、蛙肌梭中的初级感受神经末梢、大鼠的心室肌细胞和一些神经胶质细胞等细胞的膜上，都有机械门控通道。
1-12 GTP酶循环
G蛋白的分子有两种构象，即与GTP结合时的激活型和与GDP结合时的失活型。两种状态的相互转换就构成了GTP酶循环。控制GTP酶循环便是调节G蛋白活性的关键。在循环中将GDP转换成GTP便激活了G蛋白。结合激动剂的受体使GDP/GTP转换速率加快，增加了结合GTP的具有活性的G蛋白的数量。
1-13 关于第二信使物质
cAMP 由ATP生成。cAMP能激活细胞内的依赖于cAMP的蛋白激酶A(PKA)。
IP3由磷脂酰肌醇二磷酸(PIP2)水解而来，是水溶性的小分子物质，在离开膜后可与内质网或肌质网上的IP3受体结合，IP3受体是一种化学门控的Ca2+ 释放通道，激活后可导致内质网或肌质网中的Ca2+ 释放，使胞质中的游离Ca2+ 浓度升高。
DG由磷脂酰肌醇二磷酸(PIP2)水解而来，是脂溶性物质，能特异性激活蛋白激酶C(protein kinase C，PKC)。
Ca2+ 作为第二信使，在信号转导中具有重要的作用。细胞内凡能与Ca2+ 结合的蛋白统称为钙结合蛋白(Ca2+-binding protein， CaBP)。Ca2+ 可直接作用于底物蛋白发挥作用:在骨骼肌，Ca2+ 与肌钙蛋白结合可引发肌肉收缩，因此肌钙蛋白可视为Ca2+ 受体;在心肌，Ca2+ 可与肌质网上的ryanodine受体结合，诱发肌质网释放Ca2+。Ca2+ 还可结合并激活PKC，使底物蛋白磷酸化，发挥调节作用。
Ca2+ 还有另外一个受体是钙调蛋白(calmodulin，CaM)，CaM分子存在于所有细胞之中。在平滑肌细胞中CaM与Ca2+ 结合，Ca2+-CaM复合物可结合并激活肌球蛋白轻链激酶，导致肌球蛋白轻链磷酸化和平滑肌的收缩;在血管内皮细胞，Ca2+-CaM复合物结合并激活一氧化氮合酶(nitric oxide synthase，NOS)，NOS 将L-精氨酸转换为NO和胍氨酸，生成的NO扩散至平滑肌，引起血管舒张。Ca2+-CaM还可激活依赖于CaM的蛋白激酶，并使底物蛋白磷酸化。
1-14 酶耦联受体
(1)具有酪氨酸激酶的受体
该受体都是贯穿脂质双分子层的膜蛋白，一般只有一个α螺旋，其膜外有与配体结合的位点，伸入胞质的一端具有酪氨酸激酶结构域，因此被称为具有酪氨酸激酶的受体或受体酪氨酸激酶(receptor tyrosine
kinase)。该类受体介导的跨膜信号转导过程如下:当膜外段与相应的化学信号结合时，受体分子的单体聚合成二聚体，直接激活膜胞质侧酪氨酸激酶结构域，导致受体自身及(或)细胞内靶蛋白的磷酸化，由此再引发各种细胞内功能的改变。胰岛素、胰岛素样生长因子及一些肽类激素和其他与机体发育、生长、增殖甚至细胞癌变有关的各种生长因子(或细胞因子)，都通过靶细胞膜上的受体酪氨酸激酶将信号转导至细胞核，从而引起基因转录的改变。
(2)结合酪氨酸激酶的受体
这类受体包括促红细胞生成素受体、生长激素和催乳素受体以及许多细胞因子和干扰素的受体。这类受体的分子结构中没有蛋白激酶的结构域，因此受体本身没有蛋白激酶活性，但当受体与配体结合后，膜内结构域可吸附胞质内的酪氨酸蛋白激酶，与之结合并使后者激活，因此称为结合酪氨酸激酶的受体。酪氨酸激酶被该受体激活后，可使自身和胞质中的另一种酪氨酸激酶STAT的酪氨酸残基发生磷酸化，后者又通过使能进入细胞核内的一类转录因子磷酸化，最终导致基因转录的功能改变而发挥生物学作用。 (3)鸟苷酸环化酶受体
此类受体也称受体鸟苷酸环化酶(receptor-guanylyl cyclase)，只有一个跨膜α螺旋，分子的N端有与配体结合的位点，C端位于膜内侧有鸟苷酸环化酶(guanylyl cyclase，GC)。当它与配体(如心房钠尿肽，atrial natriuretic peptide，ANP)结合后，即将鸟苷酸环化酶(GC)激活，催化胞质内的GTP生成cGMP。cGMP又可结合与激活cGMP依赖性的蛋白激酶G(PKG)，PKG可使底物蛋白质磷酸化，产生效应。如心房钠尿肽
就是通过此途径刺激肾排泄钠和水，并使血管平滑肌舒张。
近年来又发现NO的受体也是GC，但这种GC存在于胞质中，称为可溶性GC(soluble GC)。它由两个亚单位构成，NO作用于可溶性GC，使胞质中的cGMP浓度和PKG活性升高，引起细胞的相应效应。 1-15 生物电的发现和诺贝尔生理学或医学奖
20世纪生物科学的重大进展之一是对细胞的兴奋和生物电的阐明。早在18—19世纪很长一段时间内，人们都是利用蛙的神经-肌肉标本，以肌肉收缩为指标研究神经的兴奋性。首先是莱顿瓶的发明，使人们发现用莱顿瓶放电刺激神经可引起该神经支配的肌肉收缩。18世纪末，意大利医生和生理学家Galvani用一个铁铜弓的两端与神经肌肉标本相接触时，发现可以引起肌肉的收缩。Galvani认为这是生物电现象，并解释为肌肉宛如一个蓄有电荷的莱顿瓶，其电荷可以通过金属导体放电，而引起肌肉的收缩。这一观点遭到了当时的物理学家伏特(Voltn)的反对。伏特重复了Galvani的实验，并解释为刺激肌肉收缩的电流来自两种金属与溶液接触时产生的电位差，而肌肉在其中只不过起了导体的作用。事实上伏特的解释也是正确的，伏特还以此发明了铜、锌伏特电池。而Galvani为了证实和维护自己的观点，又完成了被称为“无金属收缩”的实验。他将神经-肌肉标本上的神经干的新鲜切口直接触及肌肉表面，即可引起肌肉收缩，从而无可怀疑地证实了生物电的存在。事实上，这是由于神经干切口处产生了损伤电位，肌肉收缩是由于损伤电流刺激而引起。现在认为损伤电位实际是静息电位的显示。Galvani是生物电的发现者，Galvani和Voltn的学术争论促进了科学的发展，这是科学史上最值得注意的事件之一，我们从中可以获得教益。科学上意见不同是常有的事，但要开展自由的争论，是否正确要靠科学实验来证明，只有这样才能促进科学蓬勃发展。
19世纪中叶，物理学中发现了电流磁效应。1820年电流计问世，1827年物理学家Nobeli改进了电流计，并在肌肉的横断面和完整的纵表面之间到了电流，其损伤部位为负，完整面为正。随后，意大利生理学家Carlo Matteucci在上述基础上发现，当刺激神经-肌肉标本的神经引起肌肉收缩时，损伤电位降低乃至消失，这表明肌肉收缩时产生了与损伤电流方向相反的电流，并将其称为负电变化，这就是“动作电位”。1842年他又完成了有名的“二次收缩”实验，将左侧神经-肌肉标本的神经搭在右侧神经-肌肉标本的肌肉上，然后刺激右侧的神经干，使其肌肉收缩，发现左侧的肌肉随之也产生了收缩。他还发现肌肉收缩时伴有电的变化，说明左侧肌肉的收缩是由于右侧肌肉兴奋引起的。
生理学、细胞生理学乃至生物电研究的迅速发展都与其他学科和科学技术发展及它们之间更为广泛地协同、交叉与渗透有关。随着一些研究生物电的仪器、设备，如电键、乏极化电极、感应线圈和更为灵敏的电流计相继出现和在大脑皮质、皮肤、腺体、眼球等器官记录到了生物电，1849年德国生理学家Du Bois Reymond又在神经干上记录到损伤电位和活动时产生的负电变化，即静息电位和动作电位，第一次提出了生物电产生机制的学说。
1902年Du Bois Reymond的另一位学生，德国生理学家Julius Berntein在电化学研究进展的影响下，提出了现在看来仍为正确的、并推动了生物电研究的膜学说。20世纪20年代Gasser和Erlanger将阴极射线示波器等近代电子学仪器设备引入神经生理学研究，促进了对生物电的深入研究。1944年他们由于对神经纤维电活动的卓越分析而共同获得诺贝尔奖。 1936年，J.Z.Young报道了乌贼神经干中含有直径达500 μm的巨轴突。1939年生理学家A.L.Hodgkin和A. F.Huxley在英国，H. J. Curtis和 K. S. Cole在美国将毛细玻璃微电极从巨轴突切口纵向插入巨轴突内，首次实现了静息电位和动作电位的细胞内记录，证实并发展了Berntein关于静息电位的膜学说。1949年A. L. Hodgkin和 B. Katz根据用细胞内记录方法所得结果对Berntein的膜学说进行了修正，提出动作电位的钠学说(离子学说)。接着他们(1952)又用电压钳技术，在乌贼巨轴突上记录了动作电流，在此研究基础上提出双离子通道模型。Hodgkin和Huxley等关于动作电位离子机制的研究(包括实验证据和理论研究两个方面)对于阐明生物电现象中兴奋的本质有重要意义，他们于1960年获得了诺贝尔生理学或医学奖。1949年凌宁(G.. Ling)在Gerard实验室研制出尖端直径小于1 μm的玻璃微电极，建立了微电极技术。该项实验技术将神经细胞生理学研究推上了新的进程。Eccles开始应用玻璃微电极对脊髓神经元及其突触的电生理研究，发现了兴奋性和抑制性突触后电位。基于对神经生理学的贡献，Hodgkin、Huxley、Eccles三人分享了1963年的诺贝尔生理学或医学奖。Katz则
因应用微电极技术对神经-肌肉接头突触的研究，获得了1970年的诺贝尔奖。
1-16 引起兴奋的刺激条件和强度- 时间曲线
无论是在体还是离体情况，组织的兴奋性大多由刺激引起。由于电刺激的强度、波形、持续时间容易控制，而且不易损伤组织，可重复使用，因而是研究兴奋时最普遍使用的刺激。任何刺激要引起组织兴奋必须在强度、持续时间、强度对时间变化率三个方面达到最小值，称为刺激的三要素。为了研究三个参数之间的相互关系，常利用矩形方波电刺激。因为矩形方波电刺激的强度对时间变化率最高，组织不易发生适应;同时不同大小和持续时间的矩形方波的上升(或下降)支的斜率都是一样的，因此可以认为它们的强度对时间变化率是固定不变的，这样就可以单纯地分析刺激强度和持续时间两个因素之间的相互关系。研究发现，在一定范围内引起组织兴奋所需的刺激强度与该刺激的作用时间呈反比关系。也就是说，当所用的刺激较强时，它只需要较短的作用时间就可以引起组织兴奋;而当刺激强度较弱时则必须作用较长的时间才能引起组织兴奋。如果把能够引起兴奋的不同刺激强度和与它们相对应的作用时间描绘在坐标纸上，便可得到一条双曲线，称为强度-时间曲线(strength-duration curve)。由曲线可以看出，强度越小，引起兴奋所需刺激时间越长。但当刺激强度小到一定程度时，即使延长时间也不能引起兴奋。把能引起兴奋所需要的最低刺激强度称为基强度。用二倍于基强度的电流(2b)刺激组织，引起兴奋所需的最短时间(T)称为时值[chronaxie (法文)]，时值可作为衡量组织兴奋性的指标。除时值外，还可利用阈强度作为衡量组织兴奋性的指标。当刺激持续时间固定于某一适当数值时，引起组织兴奋的最低刺激强度称为强度阈值(threshold intensity)，简称阈值(threshold)，该刺激称为阈刺激(threshold stimulation)。强度低于它的刺激称为阈下刺激(subthreshold stimulus)，高于它的刺激称为阈上刺激(suprathreshold stimulus)。低于阈值 [强度阈值或时间阈值] 的刺激是不能引起组织兴奋的。强度阈值或时间阈值可近似地反映该组织的兴奋性的高低，组织的阈值越低说明其兴奋性越高，相反则越低。
1-17 检测兴奋性变化的实验
神经受到刺激后兴奋性的变化可以用实验加以证明，首先用一个足以引起整个神经干兴奋的有效刺激(最适刺激)刺激神经引起其兴奋，然后以不同的时间间隔再给予第二个刺激(其强度是可调的)，检查神经对检验性刺激是否反应(用第二个刺激能引起神经兴奋的强度阈值)和所引起的动作电位幅度的变化，来判定神经组织兴奋后的兴奋性的变化。第二个刺激称为检测刺激。以两个刺激间隔测出神经干的不应期。
当第二个刺激引起的动作电位幅度开始降低时(设为t2)，说明第二个刺激开始落入第一次兴奋的相对不应期内。当第二个动作电位开始完全消失，表明此时第二个刺激开始落入第一次兴奋后的绝对不应期内(设为t1)，那么t2-t1即为相对不应期。
1-18 观察生物电的方法
早期生理学家们通过对蟾蜍(或蛙)的神经-肌肉(坐骨神经-腓肠肌)标本的神经施加刺激或直接刺激肌肉，以肌肉的收缩为指标，推论在神经或肌肉表面接受刺激的点一定产生了某种信号，而且这种信号可沿着神经纤维或肌细胞传导，最后导致整个肌肉发生收缩;以后确认这个信号就是电信号。随着电生理实验技术和电子仪器的使用，对这个电信号有了进一步的观察和记录。
(1)细胞膜的电学特性
细胞膜的脂质双分子层构成的绝缘层将含有电解质的细胞外液和细胞内液分开，其形式类似于一个平行板电容器，因此细胞膜具有电容特性。但该电容的电阻要比单纯的脂质双分子层电阻(10-9~10-6 Ω)小得多，只有10-3Ω左右。这主要是由于细胞膜中插入了许多通道蛋白，开放的通道蛋白有如插入脂质双分子层中的小导体，能允许离子通过。当离子通道开放而引起离子跨膜流动时，就相当于在电容器上充电和放电，因而在膜的两侧产生电位差，即跨膜电位(transmembrane potential)简称膜电位(membrane potential)。离子通道开放时，电阻低，所以通道蛋白数量越多，膜电阻(mebrane resistance)就越小。由于细胞膜兼有电容和电阻的特性，因此可以用并联的阻容耦合的等效电路来描述它的电学特征。对于神经和肌肉这种长形细胞，还应考虑胞质(轴浆)的轴向电阻。当给细胞施加一个小于阈值的刺激(即向细胞内注入电流)时，由于胞质(轴浆)电阻的存在和沿途有电流的流出，并随着距刺激原点的距离增加不论是轴浆电流还是跨膜电流都在减小，由此形成的跨膜电位也在减少，其变化规律与电缆上发生的情况相似，
即刺激处的跨膜电位最大，外周一定距离以外的跨膜电位将随距离的平方呈衰竭现象。此时神经元膜的电学特性称之为静态电学特性。
如果刺激高于阈值，此时膜的离子通道选择性开放，出现主动的离子跨膜移动，此时的膜电路就会改变原来电路的静态电学特性，被称为细胞膜的动态电学特性。细胞的生物电现象即是细胞膜电学特性的不同表现形式。
(2)双向动作电位与单向动作电位
在没有损伤的神经或肌肉表面上放置两个电极(b、c)为记录电极，两电极中间连一记录仪(电位计或示波器)以观察两电极下方膜的电位变化。在静息时两电极之间没有电位差。若在神经干游离端(a)施加刺激(如向细胞内注入正电流)，引起其(神经干)兴奋时，则可看到靠近刺激端的电极下方(b)产生了动作电位，而且是双向的，称为双向动作电位。图中红块(阴影)表示动作电位的产生和传导过程。这里的电位变化实际是组成神经干的众多单根神经纤维或组成肌肉的众多单个肌细胞电变化的物理性叠加的结果。如果用机械的或化学的方法对第二个电极下的膜加以处理，使该处不能产生兴奋，那么当刺激神经一端(a)时，在记录仪上只能看到一次电位波动，称为单向动作电位。
(3)细胞外记录和细胞内记录
对单一细胞的生物电现象观察方法之一是利用某些无脊椎动物特有的巨大神经或肌肉，如枪乌贼的巨大神经轴突(其直径最大可达到1 000 μm左右，便于单独剥离出来)，进行细胞外电位记录和细胞内记录。
对脊椎动物的单一细胞内的记录，是将一个金属或毛细玻璃管制成的，内充满电解质溶液，尖端直径仅有1.0 μm的微电极刺入某一在体或离体细胞或神经纤维的膜内，因为它只有尖端能导电，因此能测量细胞在不同功能状态时膜内电位与另一位于膜外的参考电极之间的电位差。这样记录的电位变化只与该细胞有关，几乎不受其他细胞电位的影响。
(4)电压钳技术(voltage clamp)
实验设计的根据是:离子作跨膜移动时形成了跨膜离子电流(I)，膜对离子的通透性即是离子通过膜的难易程度，是膜电阻的倒数，称电导(G)。因此实验设计利用了一种负反馈原理的电子学装置，在维持跨膜电位恒定的情况下，测量跨膜电流的强度改变，由此计算出膜电导(即膜通透性)的变化情况。 (5)膜片钳技术(patch clamp)
如图1-24所示;A图表示用一玻璃微电极的尖端开口吸紧一小片质膜，使之与膜的其他部分形成电学分离，此膜正好含一个Na+ 通道。B图表示人工地使跨膜静息电位除极化，并稳定在约-10 mV的水平。C图表示在多次除极化的观察中可看到的同一Na+ 通道开放的情况。D图表示将多次实验中看到的Na+ 通道开放引起的Na+ 内流叠加，可以模拟出整段膜除极化时的Na+ 内流情况，足以解释膜动作电位上升支的形成。
1-20 跨膜电位是各种离子流过细胞膜的综合结果
很多实际情况是，在静息时细胞膜除了对有机负离子几乎没有通透性外，对K+、Na+、Cl- 都是可通透的，因此各种离子的相对通透性是影响静息电位的重要因素，可以认为静息电位是经权衡后的各种离子平衡电位的代数和(Em)。一般认为细胞膜对Cl- 不存在原发性主动转运，因此Cl- 在膜两侧的分布是被动的，它不决定膜电位，但是膜电位却决定它在膜内的浓度。细胞膜对K+、Na+ 的相对通透性就成了决定静息电位的主要因素，内流的Na+ 会中和一部分膜内的负电荷。但细胞膜对Na+ 的通透性大约是K+ 通透性的1/10 000，则静息电位就更接近于K+ 的平衡电位，但向Na+ 的平衡电位的方向偏离，所以实际测定的静息电位较理论计算出来的值略小。因此可以认为决定静息电位的因素有3点:? 细胞膜内外的K+ 浓度差。? 膜对K+、Na+ 的相对通透性，如果膜对K+ 通透性增大，静息膜电位增大，更趋于EK;反之，膜对Na+ 通透性增大，静息膜电位减小，更趋于ENa。如心肌和骨骼肌细胞，K+ 与Na+ 上述比值为20,100，静息电位为 -80,-90 mV;而平滑肌细胞的K+ 与Na+ 的比值为7,10，静息电位也只有 -55 mV。? 钠,钾泵活动水平。
关于动作电位形成的离子机制方面，20世纪70年代Neher和Sakmann通过用膜片钳技术对单个离子通道进行了观察提出，细胞膜上至少有两种电压门控离子通道:选择Na+ 通过的Na+ 通道和选择K+ 通
过的K+ 通道。细胞膜对Na+ 的通透性的增加，实际上是通道开放结果;当跨膜电位向膜除极化方向改变时，Na+ 通道就开放，而且随着除极化程度的增加，通道开放概率将增加;在膜除极化时会有众多的Na+ 通道随机开放，因此，整段膜的电流的变化乃是Na+ 通过众多的Na+ 通道而造成的电流的物理性叠加。
心肌的动作电位和神经元、骨骼肌细胞的动作电位不同，延续的时间要长，共分5个时期，而且在它的下降支多了个平台期(见第3章)，这是由于参与心肌动作电位形成的离子不单有Na+，还有Ca2+，是Na+ 、K+、Ca2+ 流动的综合效应。
在生理学中，将正离子由膜外向膜内流动或负离子由膜内向膜外流动称内向电流(inward current)，内向电流能促使膜除极化。通常Na+ 和Ca2+ 由细胞外向细胞内流动，都是内向电流。将正离子由膜内向膜外流动或负离子由膜外向膜内流动称外向电流(outward current)，外向电流导致膜复极化或超极化。通常K， 的外流和Cl- 的内流都是外向电流。不难理解，动作电位的上升支(除极化相)是内向电流形成，而下降支(复极化相)是外向电流形成的。引起离子跨膜流动的原因，主要来自膜两侧对离子的电-化学驱动力和动作电位期间对离子的通透性的瞬间变化。
在动作电位形成过程中大部分离子的跨膜运动(离子流)是通过细胞膜上的通道蛋白中央的亲水性孔道(pore)，是一种经离子通道的易化扩散，属被动转运;另外一些离子跨膜流动是由离子泵实现的离子转运与交换，属于主动转运，如常见的Na+-K+ 泵、Ca2+ 泵能利用细胞代谢产生的ATP作为能量，逆着电化学梯度将离子进行转运。另一种是细胞膜上 Na+-Ca2+ 交换体，是以跨膜 Na+ 的内向性浓度梯度为动力(势能)，实现 Na+-Ca2+ 交换，是一种继发性主动转运，由 Na+-K+ 泵的活动提供能量，它也受膜内外的电位差的影响。带电离子在流动的过程中参与细胞的电活动。
1-21 Na+、K+ 通道的激活与失活
Na+通道有两道门，静息时，位于中间的激活门关闭着，位于膜内侧的失活门开放着;而K+ 通道只有一道门，静息时是关闭着的。除极化时，使Na+ 通道激活，激活门和失活门全都开放，Na+ 内流;Na+ 通道被激活后很快就失活，激活门仍开着，但失活的门却关着，Na+ 不能内流;以后才恢复到静息状态。
K+ 通道则延迟被激活，开放较晚，K+ 外流起步晚;而且K+ 通道没有失活状态，可直接恢复到静息时的关闭状态。钠泵的活动对膜内外Na+ 、K+ 浓度的增加十分敏感，膜内Na+ 浓度轻微增加就能促进钠泵的活动，所以每一次兴奋后的静息期钠泵活动都有一定程度的增强，将兴奋时进入膜内Na+ 泵出，而把复极化时流出膜外的K+ 移入，使兴奋前原有的离子分布不均匀状态得以恢复。以此形成的(浓度)势能储备可保证细胞多次兴奋，而不需要当时再耗氧供能。Na+ 泵活动时由于两种离子转运同时进行，出入的离子总数又近于相等，故一般不伴随电位的明显变化。但是在膜内Na+ 蓄积过多而使钠泵活动过度增强时，这种定比关系就可以改变，结果是泵出的Na+ 量超过K+ 量，最高时可达3 ?2的程度，这时就有可能使膜内负电荷增加。泵的活动是生电的，使膜电位向超极化的方向变化，在锋电位之后出现正后电位;至于负后电位则可能是复极化时迅速外流的K+ 蓄积在膜外，而暂时阻止了K+ 外流的结果。 1-22 突触小泡的分泌活动
神经递质的胞吐(即释放)过程可分为5个时相:? 突触小泡靠近突触前膜活动区，即入坞或靠锚(docking);? 由ATP水解提供能量，使小泡贴靠突触栅栏结构(致密突起)，称为启动(priming);? 神经冲动到达后，胞内Ca2+ 浓度上升到1 mmol/L左右，介导小泡与突触前膜接触和融合(fusion)，向突触间隙释放递质，称之胞吐;? 小泡膜回收成为有被小泡，即胞吞;? 有被小泡脱去包被释出空的小泡，并重新装入神经递质，称为再生(recycling)时相。该小泡的入坞、启动、融合是通过小泡蛋白(v-SNARE，包括小突触蛋白、突触结合蛋白、小泡蛋白rab3)和相应突触膜蛋白(t-SNARE，突触融合蛋白，电压门控Ca2+ 通道及起抑制作用的蛋白n-sec1)共同完成的。
这种释放是以小泡为单位的倾囊而出，被称为量子释放(quantal release)，突触小泡所含神经递质分子数被称为量子大小(quantum size)。一次动作电位能诱发释放的小泡数(量子数)为量子含量(quantum content)。一个小泡所引起的突触后电位，被称为微突触后电位(miniature postsynaptic potential)。 1-23 缝隙连接——细胞间通道
在许多动物(包括腔肠动物、环节动物、节肢动物、软体动物、低等及高等脊椎动物)身上的某些细
胞(如平滑肌细胞、心肌细胞、中枢神经系统的某些神经元、感受器细胞与感觉神经的轴突)之间存在着缝隙连接(gap junction)。在缝隙连接处的细胞间隙仅有2,3 nm。超微结构的观察和分子生物学分析发现，在每一侧细胞膜上都有许多整齐排列贯穿于细胞膜的蛋白质颗粒。每一个蛋白质颗粒实际上是由6个蛋白质亚单位构成的多聚体，中间包绕着一个水相孔道。有适宜因素存在时，两侧细胞膜的蛋白质颗粒发生对接，形成一条条沟通两细胞胞质的通道，但该通道并不与细胞外液相通。在另一些因素下，如细胞内的Ca2+、H+ 浓度增加，可使细胞间通道关闭。细胞间通道的存在，有利于功能相同而又紧密连接的一组细胞之间进行离子、营养物质甚至一些信息物质的交换和沟通，使同步性活动成为可能。
1-24 关于突触传递机制的研究和诺贝尔生理学或医学奖
关于突触传递的机制是电传递还是化学传递经历了跨越两个世纪近50年的争论(19世纪的70年代—20世纪的20年代)。最早认为，突触间的传递如同兴奋在细胞内传播一样，是单一的电过程。直至电子显微镜对突触结构的观察和微电极应用化学性突触传递才得到确认。正当化学性突触传递的观点在大多数突触上被证实时，在神经系统中又发现了为数不多见的电突触传递。1976年Neher和Sakmann创建了膜片钳技术成功地记录到骨骼肌终板膜处单一乙酰胆碱门控通道电流，开创了直接通过实验研究离子通道功能的先河，为此他们获得1991年度诺贝尔生理学或医学奖。现在这一技术已扩展到对多种细胞的多种通道功能的观察。
1-25 骨骼肌细胞的超微结构
骨骼肌细胞也称肌纤维(muscle fiber)，与收缩功能有关的结构是其内许多平行排列的肌原纤维和管道系统。
(1)肌原纤维
肌原纤维中含有若干肌节(sarcomere)，肌节是肌原纤维的最构和功能单位。每个肌节又由粗肌丝(thick filament)、细肌丝(thin filament)以及作为收缩蛋白附着点，维持粗、细肌丝精确几何位置的细胞骨架(cytoskelelton)构成。细胞骨架包括横向的M线区(M line)和Z线区(Z line或Z盘，Z disk)及纵向的肌联蛋白(titin)和伴肌动蛋白 (nebulin)。肌联蛋白跨越M线区，分子中间部分作为粗肌丝形成的模板并成为粗肌丝的组成，两侧与Z线相连，并具有弹性。伴肌动蛋白存在于细肌丝中，作为细肌丝形成的模板。心肌细胞中无此蛋白(图1-29)。粗肌丝和细肌丝是由一系列蛋白质分子聚合而成，一共有4种蛋白质:
? 肌球蛋白(myosin，MS，也称肌凝蛋白):由两条重链相互缠绕构成杆状的尾部，两条重链的前端分别与一对轻链连接。轻链形成一对球状膨大的头部，称为横桥(cross bridge)
? 肌动蛋白(actin，AT，也称肌纤蛋白):由两列球形肌动蛋白分子单聚合体相互扭缠成双螺旋体构成细肌丝的主干。细肌丝的一端固定在肌纤维上的Z线上，另一端插入粗肌丝之间;粗肌丝与细肌丝相重叠部分构成肌节的暗带，暗带两端明亮部分仅有细肌丝，称为明带。
? 原肌球蛋白(tropomyosin，TM，也称原肌凝蛋白):为双螺旋状结构，嵌在肌动蛋白的双螺旋体的浅沟里，与肌动蛋白的双螺旋体平行排列。肌肉静息时，原肌球蛋白的位置正好处在肌动蛋白和横桥之间，起到阻碍二者结合的作用。
? 肌钙蛋白(troponin，也称肌宁蛋白):存在于细肌丝中，为由T、C、I三个亚单位组成的复合体。其中C亚单位(TnC)带有双负电荷的结合位点，对肌质中出现的Ca2+有很大的亲和力，而且每一个原肌球蛋白分子可与一个肌钙蛋白复合体结合。T (TnT) 与I (TnI) 亚单位位于C亚单位两侧，分别与原肌球蛋白和肌动蛋白相结合。
原肌球蛋白和肌钙蛋白虽不直接参与肌丝的滑行，但可影响和控制收缩蛋白之间的相互作用，故称它们为调节蛋白。
(2)肌管系统
肌纤维中有两套肌管系统，一套是横管(transverse tube)系统，简称T管。横小管是由肌细胞膜在肌纤维的Z线处向内凹陷而形成，并与肌原纤维的长轴相垂直的小管。在哺乳动物的骨骼肌中它的位置在明暗带交界处;在哺乳动物的心肌和两栖类的骨骼肌中它位于Z线处。细胞外液经肌膜上的开口与T小管的
内容物相沟通;T小管的膜具有与肌膜相类似的特性，可以产生以Na+为基础的除极化和动作电位。
另一套是纵管系统，即肌质网(sarcoplasmic reticulum，SR)，简称L小管(纵小管，longitudinal tubule)。L小管与肌原纤维平行，包绕于肌节中间部分，称纵行肌质网(longitudinal SR，LSR)。L小管在接近肌节两端的T小管处，形成特殊的膨大，称为终末池(在心肌中称为连接肌质网，junctional SR，JSR)，内储存大量Ca2+ ，其浓度是肌质中的数千倍。骨骼肌中80,的T小管与其两侧的终末池形成三联管(triad)结构。终末池虽与T小管不相通，但在靠近T小管的终末池上有Ca2+ 释放通道(或称ryanodine receptor，RYR)，静息时Ca2+ 释放通道是关闭着的。不同组织细胞中的SR膜上的RYR的类型不一样，骨骼肌SR膜上的RYR主要是RYR1型，在心肌主要是RYR2型，在脑细胞中主要是RYR3型。在与之对置的横管膜或肌膜上有一种L型的Ca2+ 通道(L-type Ca2+ channel)。
1-26 横纹肌肌质网对Ca2+ 的释放和再聚集
(1)Ca2+ 的释放
肌质中的Ca2+ 可来自终末池和细胞间隙液，前已述及骨骼肌和心肌T小管的终末池上的释放通道类型不同，释放的过程也就有很大的差别:
? 骨骼肌静息时，横小管上的L型通道对终末池膜上的Ca2+ 释放通道开口起到堵塞的作用，只有当横小管膜上的电信号达到此处时，L型Ca2+ 通道发生构型改变，才会消除对终末池膜上Ca2+ 释放通道的堵塞作用，而使终末池内的Ca2+ 大量进入肌质。需要说明的是，骨骼肌SR膜上的RYR主要是RYR1型，对Ca2+ 不敏感，当动作电位传到T小管膜时L型Ca2+ 通道激活相当慢，完全开放需要几百毫秒，所以在动作电位持续的几个毫秒期间几乎没有Ca2+ 内流，因此L型Ca2+ 通道此时仅作为一个对电位变化敏感的信号转导分子，而不是作为离子通道来发挥作用的。
? 心肌的SR膜上的RYR主要是RYR2型，RYR2型对Ca2+ 非常敏感，μmol/L 级浓度的Ca2+即可使其激活。当心肌细胞产生兴奋时，先是横小管液(即细胞外液)中的Ca2+ 少量进入肌质，接着Ca2+ 进一步激活终末池膜的Ca2+ 通道，使之开放释放Ca2+，而使肌质中Ca2+ 的浓度升高。由于心肌动作电位持续时间通常都在100 ms以上，所以动作电位期间会有许多Ca2+ 经肌膜、T小管膜上的L型Ca2+ 通道进入胞质并激活JSR上的RYR2，引起Ca2+ 的释放。
(2)Ca2+的再聚集
骨骼肌和心肌细胞的LSR上均有钙泵，是Ca2+-Mg2+ 依赖式ATP酶，可逆着Ca2+ 浓度梯度将肌质中的主动转运至SR内。在心肌细胞膜上还有Na+-Ca2+交换体使胞质内的Ca2+ 与胞外的Na+ 进行交换。这是一个继发性主动转运，利用Na+ 在膜两侧的浓度差作为动力，每进入3个Na+，排出1个Ca2+;肌膜上的钙泵每分解1个分子的ATP，可排出1个Ca2+。它们与SR上的钙泵共同保持胞质内较低的Ca2+ 浓度。由此看出肌肉的舒张也是一个耗能的主动过程。
被回收的Ca2+ 流入终末池中，与腔内的集钙蛋白(calsequestrin)结合，使肌质网内游离Ca2+ 浓度下降，这有助于钙泵的转运和在终末池内储存更多的Ca2+。事实上，钙泵转运能力的提高，不仅加速了胞质内Ca2+ 浓度的下降，有助于肌肉的舒张;而且由于肌质网内Ca2+ 储存量的增加，还能增加肌肉收缩时肌质网释放更多的Ca2+，从而加强肌肉的收缩能力。
1-27 肌肉的收缩
在整体情况下，一个运动神经元的轴突在肌肉内有许多分支，每一个分支支配着一条肌纤维，当该神经元兴奋时，它所支配的肌纤维将全部收缩。一个运动神经元及其轴突末梢所支配的全部肌纤维总称为一个运动单位(motor unit)。在整体情况下，运动单位才是肌肉收缩的功能单位。而运动单位收缩活动的特征有许多地方又与肌纤维相似。
(1)等张收缩与等长收缩
根据肌肉收缩时期张力及长度是否变化，单收缩又可分为两种:等张收缩(isotonic contraction)和等长收缩(isometric contraction)。等张收缩时，肌肉的张力几乎不发生变化，而肌肉的长度却缩短。如从地面上提起一小桶水时，上肢曲屈，肌肉的张力仅等于水桶受到的重力，始终未变，而肌肉缩短了。
等长收缩是肌肉的两端被固定，肌肉收缩时长度几乎不发生变化，而张力却发生了变化。如提一很重
的物体，未提起时前上肢的活动，肌肉的长短未变，而张力不断增加，直至克服物体所受的重力。
在整体情况下，肌肉的活动中很难将这两种收缩分开，如前述，提起重物之前是等长收缩，而提起重物之后则是等张收缩，仅是二者复合的程度的不同。在整体情况下刺激对肌肉收缩的影响更多的是通过神经系统的调控调动更多的运动单位参与收缩，实现运动单位的数量总和。整体中运动单位的大小差别很大，不同的运动单位所包含的肌纤维数量可从几根到上千根，而收缩时产生的张力竟能相差50倍。弱刺激只能动员那些比较小的运动神经元所支配的小运动单位收缩，随着刺激强度的增加，则动员越来越多和越来越大的运动单位收缩，产生的张力也越来越大。肌肉舒张时，首先停止放电和缩短的是那些较大的运动单位，最后才是较小的运动单位。肌肉这种调节肌肉收缩强度的方式称为大小(募集)原则(size principle)。 (2)刺激频率对肌肉收缩的影响
当支配肌纤维的运动神经末梢传来的动作电位的频率较低时，由于下一次动作电位到来之前，肌质中的Ca2+ 浓度已恢复到静息水平，肌节也已返回静息时的长度(即在肌肉舒张期之后)，因此只会产生一系列与动作电位频率一致的单收缩。当动作电位出现的频率较高时，由于前一次动作电位引起的Ca2+ 释放尚未完全从肌质中回收，第二次Ca2+ 释放又开始了，于是未完全舒张的肌纤维将进一步缩短，出现了多次收缩的总和(summation of contraction)，得到一条锯齿状收缩曲线，称不完全强直收缩(incomplete tetanus)。当传来的动作电位的频率更高时，结果会使肌质网中的Ca2+ 持续释放，肌质中的Ca2+ 浓度持续上升，横桥作用不断发生，因而肌纤维持续收缩而不舒张，得到一条平滑的收缩总和曲线，称完全强直收缩(complete tetanus)。产生强直收缩的另一个原因是，动作电位持续的时间短于机械性收缩的时间，因而，能保证第二次动作电位引起的肌纤维收缩活动出现在前一次动作电位引起的收缩的缩短期内。
每一组曲线中上方为肌肉收缩的机械变化记录，下方为肌肉的动作电位记录，每个动作电位表示肌肉受到一次刺激;注意刺激的频率加大时，可以有机械反应的复合，而不会有动作电位的复合
在整体中，骨骼肌纤维的收缩几乎都是强直收缩。心肌不同，由于它的动作电位持续时间比收缩的时间还要长，当第二个动作电位到达时，已开始舒张了。所以正常的心肌不会产生强直收缩，这对心脏泵血功能很有意义(见第3章)。
1-28 负荷对肌肉收缩的影响
(1)前负荷对肌肉收缩的影响
肌肉的收缩有一个最适前负荷和最适初长度(肌节的最适初长度为2.2 μm);小于或超过最适初长度，肌肉的收缩力都会下降。因为肌肉收缩时产生的张力与能和细肌丝结合的横桥数目成比例，在最适初长度时，粗、细肌丝间横桥作用达到最大限度，收缩产生的张力最大;而小于最适初长度时由于细肌丝过分深入，甚至细肌丝过分重叠、卷曲而阻碍了横桥作用;大于最适初长度，则粗、细肌丝重叠太少，甚至相互脱离，使部分(或全部)横桥不能发挥作用，所以这两种情况都使肌肉收缩产生的张力小于最适长度时收缩所产生的张力。
(2)后负荷对肌肉收缩的影响
后负荷越大，肌肉收缩时产生的张力越大;产生肌肉收缩的时间越晚(即潜伏期越长)，肌肉缩短的初速度和缩短的总长度也越小。这可以从两方面进行解释，一方面是由于肌肉本身具有弹性，对后负荷是一种对抗和缓冲，因此肌肉收缩时必须先对由后负荷产生的伸展加以对抗之后才能出现缩短，则潜伏期要长，缩短的程度也小。另一方面，无论后负荷如何大，引起收缩的动作电位是相同的，即肌质中Ca2+ 浓度增加的时间是相同的，因此后负荷增加时，使开始收缩的时间错过了肌质中高Ca2+ 时期，由Ca2+ 引起的肌丝滑行的效应正处于变小状态，因此肌肉缩短的长度也就变小。另外，后负荷对横桥周期持续时间及产力效应的影响。较轻负荷时，横桥摆动和与肌动蛋白解离的速度快(缩短速度快)，所以每瞬间产生张力的横桥数量较少，产生的张力自然就小;较重负荷时，横桥摆动的速度较慢，横桥周期延长，因而每瞬间处于摆动和产生、维持张力状态的横桥数增多，因而收缩力增加。
1-29 骨骼肌的种类
某些节肢动物和脊椎动物的骨骼肌纤维虽都是横纹肌，但因为功能不同可分为快肌纤维与慢肌纤维，它们在形态及神经支配上都有自己的特点。快肌又称颤搐纤维(twitch fiber)或相位性纤维(phasic fiber)，
相对粗短;它们的肌原纤维排列整齐，明暗带清晰可见，Z线是直线，微管系统广泛存在;肌纤维中不含肌红蛋白，颜色浅，因此又称为白肌，白肌中的肌糖原和乳酸脱氢酶含量高，适于糖原酵解代谢，所以快肌适于快速收缩，但容易疲劳。慢肌又称为紧张性纤维(tonic fiber)，它们的肌原纤维束大小不一致，Z线呈锯齿状，微管系统不发达;重要的是慢肌中肌红蛋白含量高，肌红蛋白能结合氧，颜色鲜红，因此又称为红肌;红肌内磷酸化酶、细胞色素氧化酶、琥珀酸脱氢酶含量高，能够进行糖原有氧代谢，因而慢肌适于持久、缓慢的运动，不易疲劳。快肌、慢肌在不同动物中主要代表见表1-3。慢肌的作用在于维持姿势，即在动物该部分没有运动时，它们能够产生足够的张力以使肌肉保持在一个特殊的位置上。在鱼类，慢肌的反应可以节省呼吸O2。相对空气而言，水中的O2不足，因此在正常游泳时利用慢肌要经济得多，只有需要快速前进时才用快(白)肌纤维。
机体的肌肉绝大多数是由快肌、慢肌混合组成，只有少数完全(或主要)由快肌纤维或慢肌纤维组成。
快肌、慢肌的形成与其神经支配有关，而且可以互相转化。支配快肌的神经纤维粗，传导速度快，每个肌纤维上只有一个运动终板，而且神经末梢含突触小泡多，快肌纤维都可产生动作电位。支配慢肌的神经纤维较细，传导速度慢，在两栖类每个肌纤维上可能有多个运动终板，神经末梢含突触小泡少，在哺乳类和鸟类的慢肌纤维上可记录到动作电位，而在两栖类只能记录到终板电位。初生的动物，四肢肌收缩的速度都很缓慢，出生3,6周后，收缩速度普遍增加，以后发育中快肌的速度继续增加，而慢肌不再增加，因而在个体发育中出现了快肌、慢肌的差别。
在成年动物中进行交叉神经移植，可以使快肌转化为慢肌，慢肌转化为快肌。目前认为，神经冲动发放的形式可影响到肌纤维的性质，运动神经元持续不断地发放冲动，促使肌纤维长时间处于紧张性收缩状态，因而形成了慢肌的特点;运动神经元快速发放脉冲式冲动引起肌纤维快速收缩就形成了快肌结构和功能。另外，神经元可能释放某些营养物质参与纤维结构的形成过程。
支配昆虫飞翔的肌肉大都是横纹肌，其收缩一般都是由中枢传来的神经冲动引起。也有例外的，如有些昆虫包括苍蝇、蚊子、蜜蜂、黄蜂和甲虫等。它们的翅每秒振动100,300次，少数甚至高达2 000次。如果这些昆虫每次振动都是由一个动作电位引起的一次肌肉收缩所发动，那么每次肌肉收缩的周期至少要小于1 ms，而最快的神经、肌肉的动作电位持续的时间也有2 ms。这很难用一般的横纹肌收缩的原理来解释。昆虫的飞翔肌的收缩并不与传出的神经冲动同步，因此这些肌肉又称异步肌(asynchronous muscle)或称原肌纤维(fibrillar muscle)。实际上这类昆虫飞翔肌的收缩活动虽然是神经冲动所发起和终止，但是收缩活动一旦开始后，收缩频率就不取决于传出的神经冲动。这些昆虫翅的上下拍动主要依靠背腹肌和背纵肌的交替收缩。背腹肌收缩时将背板往下拉，使翅上举;这时候又牵扯了背纵肌，使之进入活动状态，产生收缩，同时也使背腹肌进入松弛状态，背板向上拱起，翅向下拍;当背纵肌收缩时又牵扯了背腹肌，使之进入活动状态„„背腹肌和背纵肌交替收缩，互相引发，产生高频率的翅振动。有些鸟类如蜂鸟，可以靠高频振动的翅膀使其悬浮在空中，是否也有类似的机制值得探讨。
1-30 平滑肌的微细结构
平滑肌与骨骼肌、心肌的区别在于没有明显的肌节结构，所以没有横纹。平滑肌有发达的细胞骨架，包括致密体(dense body)和中间丝。致密体卵圆形，分布于细胞质和细胞膜的内侧面。在功能上致密体与骨骼肌的Z盘相似，上有类似于骨骼肌Z带中的蛋白质，有3~5条细肌丝固定在其上，是传送张力的结构;致密体之间由一种称为结蛋白质的聚合体(中间丝)相连接。细肌丝一端连接在致密体上，另一段游离在胞质中，粗肌丝的数量明显少于细肌丝，插在细肌丝之间。平滑肌的粗肌丝的直径是细肌丝的2.5倍。和横纹肌相比，平滑肌的肌动蛋白、肌球蛋白、ATP及CP含量低，ATP酶的含量及活性也较低，因此平滑肌收缩速度和紧张度都比横纹肌弱;另外，粗肌丝在不同方位上伸出横桥的朝向是相反的，这使得粗、细肌丝的滑动范围可以延伸到细肌丝的全长，同时粗、细肌丝没有形成肌节式严整的排列，因此当平滑肌即使被拉伸到相当大的长度时，粗细肌丝之间几乎总有某些重叠，这就是为什么平滑肌具有较大的伸缩性和主动紧张性的原因(横纹肌如果过度地被牵拉，将使粗细肌丝重叠部分脱开，而丧失主动紧张，只剩下弹性回缩)。平滑肌细胞的细肌丝中没有肌钙蛋白，但有一种能与Ca2+结合的钙调蛋白(CaM)。分布于膜内侧面的致密体又称为致密区与相邻肌细胞膜内的致密区相对，连接十分紧密，形成一种机械性耦联，以完
成细胞间的张力传递。相邻肌细胞之间还有缝隙连接，可完成细胞之间的电学及化学的耦联。
平滑肌细胞没有横小管，细胞膜仅向内陷呈纵向的袋状结构;肌质网也不发达(有些平滑肌中的肌质网相对发达，在靠近肌膜内陷处的纵小管仍膨大为侧囊，其内储存着Ca2+)，肌丝主要被肌膜而不是SR包绕。SR膜上有对Ca2+ 敏感的RYR(钙释放通道，钙受体)和对IP3敏感的IP3受体(IP3R)以及能吸收肌质中Ca2+ 的钙泵;肌膜上有能将Ca2+ 转运出细胞的钙泵和Na+-Ca2+ 交换体。与骨骼肌相比平滑肌中的钙泵和Na+-Ca2+ 交换体的功能都较弱。
1-31 平滑肌的紧张性收缩
平滑肌可以长时间地维持一种稳定的收缩状态，称为紧张性收缩。这一方面是由于Ca2+ 被SR钙泵回收的过程和被肌膜Na+-Ca2+ 交换体与钙泵排出的过程非常缓慢，另一方面是由于胞内Ca2+ 浓度下降后，横桥与细肌丝中肌动蛋白的结合仍然继续保持一段时间，即所谓锁桥(latch bridge)现象。这一现象产生的机制可能是由于去磷酸化的横桥ATP酶活性降低，因而横桥摆动的速度下降，横桥周期延长，横桥与肌动蛋白结合的时间也延长。较长的横桥周期使每瞬间与肌动蛋白结合的横桥数目增多，产生较大的张力，也节省了能量消耗。据测定在产生同等张力的情况下，平滑肌收缩所需能量仅为骨骼肌的1/300~1/10。 1-32 平滑肌的分类
体内各器官的平滑肌总体上可分为两大类，一类为一单位平滑肌(single-unit smooth muscle)，又称内脏平滑肌(visceral smooth muscle)，分布于消化管、子宫、输尿管等器官上。其中各细胞间可以通过缝隙连接进行同步收缩;大部分细胞具有自动节律性，在没有外来神经支配时也能进行正常的收缩活动。另一类为多单位平滑肌(multi-unit smooth muscle)，如竖毛肌、虹膜肌、瞬膜肌、大血管及大气管平滑肌等。所含的平滑肌细胞的活动受支配它的神经释放递质或扩散来的激素的影响，各自独立不具自律性;肌细胞与其支配的神经元形成一个“运动单位”，一个肌细胞可以同时接受多个神经元的影响，因而“运动单位”可以相互重叠。体内还有一些平滑肌兼有两方面的特点很难归入哪一类，如小动脉、小静脉平滑肌一般认为属于多单位平滑肌，但又有自律性;膀胱平滑肌没有自律性，但遇到牵拉时又可作为一个整体进行反应，而被列为一单位平滑肌。
1-33 生物电在动物机体中的体现及在医学中的意义
在人类尚未认识电鱼放电本质之时，古罗马、古埃及人就熟知地中海的电鳐与尼罗河的电鲇能使人产生震击、麻手的不愉快感觉。18世纪，欧洲曾流行利用电鱼放电来治疗关节炎、痛风等疾病，这种古老的电疗技术沿用了约2 000年。现在对“动物机体生物电现象”的认识已经是不容置疑的了，电鱼也成为研究生物电的微电极技术、离子通道机制的优良实验材料，在电鳗的电器官中先后纯化和克隆出Na+ 通道α亚单位、N2型乙酰胆碱受体阳离子通道。随着人们对生物电特性与产生机制的认识的不断深入，不断设计和制造出许多先进的仪器设备运用到动物生产和医学实践，更好地为人类服务。下面拟通过电鱼放电和动物机体正常心电图形成原理，阐述生物电在动物体的生存和现代医疗技术方面的意义，希望对如何学习和应用生理学理论知识起到一个引导的作用。
(1)鱼类的发电器官及其放电
放电虽不是动物的基本生理功能，不像呼吸、消化等功能那样普遍存在于动物界，但它却是某些动物的特殊功能。电是由一些特化了的电细胞组成的发电器官所发放。
生物界只有某些鱼类能放电，包括电鲶、电鳐、电鳗。这些鱼都具有一个能放电的发电器官，有的属于板鳃类，全部是海洋类的;有的属于真骨鱼类，除科(Uranocopidea)外，全属热带淡水鱼类。电鱼的发电器官大多分布于头部、尾部、背部或胸鳍与头部之间体侧部皮下;绝大多数鱼的电器官是由骨骼肌演化而来，这些骨骼肌已丧失了收缩特性，如电鳐的发电器官起源于鳃肌;星鱼的发电器官起源于眼肌;鳐科鱼类的发电器官起源于尾侧肌肉;早些时候认为电鲶的发电器官起源于腺体，而近期证明它也起源于骨骼肌;唯有小尾电鳗科的发电器官起源于脊神经。
? 发电器官的一般结构和神经支配:构成发电器官的基本单位是电细胞(electrocyte)，为扁圆形，又称为电板(electroplates)。电细胞浸埋在由结缔组织包围而成的小室内的透明胶质中;神经及血管深入小室，分布到电细胞。神经纤维仅仅分布于电细胞的一个侧面，而另一侧面没有神经纤维，其膜突起形成皱褶。一
个小室中只有一个电细胞，若干个这样的小室叠连在一起，堆砌成细胞柱;若干个细胞柱又作平行排列构成发电器官。
由运动神经元轴突演化来的发电器官，如鳍电鱼(Sternarchus)的运动神经元的轴突从脊椎伸出后，先向前伸展，曲折后再向后延伸，轴突末梢呈盲管，已失去与肌肉的联系。这些变异的轴突在脊柱两侧形成发电器官。
发电器官的放电活动受中枢神经系统的控制。发电器官放电的起步中枢随鱼类不同而有所不同，分别分布在中脑、延脑和脊髓，如象颌鱼的起步中枢在中脑，中继核在延脑，起步中枢的神经冲动通过中继核转而激活脊髓内与电细胞相连的运动神经元。裸背鳗的起步中枢在延脑背侧，其兴奋可以通过在延脑腹侧的中继核激活相关的运动神经元。电鲶的起步中枢是脊髓的第一节段中的两个神经元。在该系统中神经元之间都是以电突触的形式相联系，彼此传递，相互激活以确保数以万计的电细胞在极短的时间内同时进入放电状态，保证发电器官放电同步化。
电细胞与神经轴突之间的联系与神经肌肉接点相似，属于化学性突触，递质为乙酰胆碱。刺激神经，在电细胞上可记录到兴奋性突触后电位和锋电位;箭毒可使其兴奋性突触后电位减少;锋电位的上升相也是Na+ 流入电细胞内的结果，它可以被河豚毒素所阻断。电细胞与肌细胞唯一不同的是锋电位的下降相不是由于K+外流增加的结果，而是由于膜对Na+ 通透性降低而引起的。
? 发电器官放电原理:电细胞不仅是发电器官的结构单位，也是放电的基本单位。以电鳗为例，静息时，细胞膜处于极化状态，其静息电位约 -90 mV，有神经的一面和无神经的一面电位相等，没有电位差。活动时，有神经的一面发生除极化直至反极化，最终膜电位可达60 mV，而无神经的一面没有变化，即跨膜电位不变，两面之间出现约150 mV的电位差，这样每一个电细胞就成为一个小电池(图1-41)。单个电细胞产生的动作电位只有几十毫伏到百毫伏，是很微小的，但在电细胞柱中电细胞是串联着的，则电细胞柱两端的电压等于各电细胞电位差的总和。电鳗的每一个电细胞柱约有电细胞6 000个，如每一个电细胞产生100 mV电压，整个细胞柱的电位差高达600 V，成为巨大的电击。对于每一个细胞柱来说，神经使细胞柱并联在一起，有增加电流的作用，细胞柱越多则放电时产生的电流越强。电鳐虽然只能放出20,60 V的电压，但它的电细胞柱多达1 000个，则可产生60 A的强电流。
在活体，电鱼放电是通过支配电细胞的传出纤维兴奋所激发，神经冲动使电细胞产生动作电位，因此鱼电是一种脉冲电流。电鱼发放的脉冲电的强弱和频率随鱼种不同而异，并受环境的影响。
? 发电器官放电的生物学意义:按照电鱼放电的强弱，可分为强电鱼、次强电鱼和弱电鱼。电鱼放电的功能，一般来说，强电鱼主要用于猎食、攻击和防卫;弱电鱼以电定位作用探测水下目标，进行水下通讯。
强电鱼，如电鳐、电鳗，以突然放电或高压放电，将动物击昏取而食之或吓跑敌人。弱电鱼，如裸臀鱼、象颌鱼，它们一般都生活在混浊、阴暗、能见度很低的环境里，这些鱼视觉不发达，但尾部具有发电器官，而在皮肤中有电感受器。发电器官不停地发放低电压脉冲，在其周围环境形成电场，头端为正，尾端为负。如有目标出现于附近时，由于目标的电导率与水不同，因而电鱼周围的电场受到电波的干扰引起畸变，它的电感受器可以感受到这种微弱的变化并转化为神经冲动，传到中枢神经系统。不同鱼类甚至同种鱼不同个体放电的频率和波形均不同，是它们辨别种群的依据之一。电鱼可以根据对方发出的电信号识别种类、性别，决定觅食、逃避敌害等;生殖季节雌雄间对答发放定型的电脉冲串，对招引异性、促进排卵排精同步起着重要作用;不同的电脉冲串表示不同意义，是电鱼种内联系的一种方式。 (2)容积导体与正常心电图形成原理
现在做健康检查或医生进行疾病诊断时，做一做心电图可以说是一项既简单，又普遍，较为可靠的检查项目了。人们不免要问在机体表面的不同位置放上一些电极记录下来的一些电位变化—心电图(electrocardiogram，ECG)为什么能反映出机体心脏的工作状态正常与否,心电图和前面所讲的心肌细胞动作电位有什么关系和不同,有关这个问题只需要从心脏整体活动的角度，将心肌细胞动作电位特征加以综合考虑，并结合相关的物理学知识就不难解释清楚。
? 容积导体(volume conductor)、电偶(electrical dipole)和矢量(vector):容积导体实际上是一个
物理学概念，是指如果一对电极放在一杯NaCl溶液中，那么在正极和负极之间就会有电流通过。这杯NaCl溶液称为“容积导体”。在这个导体系统中的不同部位反映出的电位是不相同的。在两个电极中点其电位为0。通过这一点垂直于两个电极连线的直线上的各点的电位也是为0，称为零电位线(图1-44)。通过这一点垂直于两个电极连线的平面上的各点的电位也都是为0的，称为零电位面。以零电位面为界，可将该容积导体分为两部分，靠近正极的一半的每一点都是正电位，而靠近负极的一半的每一点都是负电位。各点的电位大小越靠近正极其正值越大，越靠近负极的点，其负值越大。因此，在这个容积导体中的任何一点的电位取决于这一对电极间的电位差和这一点在容积导体中的位置。容积导体中的这样一对正、负电极称为电偶(electrical dipole)。电偶具有“方向性”和“量”的两个物理特性，通常用矢量(vector)表示之。
如绪论中所述，动物机体内含有大量的体液，其内含有各种离子，细胞就浸润在含有各种离子的细胞外液之中，因此动物机体就是一个容积导体，心脏的位置可以认为是机体的中心。安静的时候，心肌细胞膜表面带正电，而膜内带负电，称之为极化状态，心肌兴奋时可产生动作电位，包括除极化和复极化。在一个心动周期的每一个瞬间都会有各种大小不同和(传播)方向不同(有的甚至相反)的动作电位产生。这些电位的变化也会被反映到机体的表面，因此可以在机体的表面将这些电位记录下来，即是心电图(electrocardiogram，ECG)。
心电图的电位变化和单个心肌动作电位不同，? 它是若干个心肌动作电位的总和效应在体表的反映，ECG的基础是心肌动作电位，没有心肌动作电位，也就没有ECG，它们既不相同，但又互相紧密联系。? 心肌动作电位是用微电极记录的一个细胞内膜电位的变化，而ECG则是记录的细胞膜外表面电位总的变化。在细胞膜的外表面，兴奋时由带正电转变为相对带负电。此时邻近静息部位仍带正电，该两点之间会产生局部电流。? 兴奋部位和邻近静息部位构成了一对电偶，而该电偶又存在于容积导体之中，因此这一电偶的电位会反映到体表的任何一个部位，在人体表面可以记录到一定电位。
? 正常ECG 的各个波形代表的意义:每一个心动周期中产生的ECG在波形上基本相同，可以分为5个波:
P、Q、R、S、T波。P波是指心房兴奋产生的波。Q波是指P波后第一个向下的波(注意，没有向上的Q波)。R波是P波后第一个向上的波(没有向下的R波)。S波是R波后第一个向下的波(也没有向上的S波)。QRS群波是心室除极化产生的。T波是心室复极化产生的波。P波和T波都可以向上或向下，或平坦，取决于记录电极的部位和心脏的位置。
1-34 动物的发光和变色
动物的光是由发光细胞或由发光细胞组成的发光器官所产生。变色是细胞活动的结果。 (1)动物的发光
目前地球上有40,50个类群的动物能发光，它们分布于原生动物、腔肠动物、软体动物、节肢动物及脊椎动物中的鱼类。发光动物多属海洋动物，生活在淡水中的极少，陆生的脊椎动物中没有发光动物。
? 发光原理:生物发光是一种生化反应。在发光细胞内含有称为光素(luciferin，L)的能发光的物质和光素酶(luciferase，E)。光素酶是一种能催化光素与氧分子结合的蛋白质，使光素分子中的电子飞跃到高能级，处于激发状态;这是一种不稳定状态，当电子跳回低能级时，便以光子的形式释放出多余的能量。该过程通常表示为
光素(L)+O2??光素酶(E)??E-L—?E+L+光
生物光是一种冷光，波长范围在450,600 nm。
? 发光方式和发光器官:(a)发光方式:细胞内发光，发光反应在细胞内完成，如细菌发光、萤火虫发光。细胞外发光，发光反应在细胞外完成，如蚯蚓(Eisonia submontana)受刺激时，从背孔流出一种淡黄色黏液，这种黏液与空气接触后才发出一种黄绿色光。共生细菌发光，有的动物自身不具有发光细胞，发光是由于发光细菌寄生于发光器官所致。
鱼类中的发光动物大多数生活在深海，发光的形式有的是依赖于共生细菌而发光，如鲷科眼睑鱼(Photobliepharon)、发光鲷属(Acropoma)、牙鲾属(Gozzo)与鲾属(Leiognathus)等发光完全是共生细菌的发光所致;有的能自身发光，如天竺鲷属(Apogon)与单鳍鱼属(pempheris)等。
(b)发光器官及发光调节:在发光动物中，不仅有发光细胞(photocyte，light cell)，而且还形成了复杂的发光器官，如美国加利福利亚有一种能发光、发声的鱼(Perichthys notatus)，其腹面约有480个发光器官。每个发光器官不仅有发光细胞而且还有晶状体、反射层及丰富的血管;刺激神经或皮下注射肾上腺素能使其发光。有人认为这种发光器不仅受神经的控制，可能还受激素的调节。
依赖共生细菌发光的鱼类的发光是由于发光细菌寄生于发光器官所致，发光金眼鲷(Anomalops)的每一个眼睛下面有一个大的发光器，这种发光器由一系列管子组成，管内寄生着发光细菌，对缺氧十分敏感，供氧不足发光立即停止。
自身发光鱼类天竺鲷科(Apogonidae)的光素、光素酶和甲壳动物海萤的光素、光素酶可相互交换，都能引起发光，其原因还在探讨之中。
一般细菌发光是一种连续性发光，而自身发光是一种间断性发光。发光的生物学意义在于可以是两性聚集的信号，也可利用发光来迷惑侵害者或引诱食饵。
(2)动物的体色
当白光投射到动物或其他物体时，有些成分被吸收，有的被反射。反射的光线作用于我们的眼睛时，在神经中枢形成色觉。
? 动物体色的成因:动物体色的形成有化学性的、物理性的或物理、化学的联合作用。化学性的显色是由于动物体内含有各种有色化合物。这些化合物称为色素，动物体组织内常见的色素有黑色素，呈黑色、棕色或黄色;甲壳素，无色，遇热呈黄色或红色;蝶啶，呈黄色、橙色、红色或无色。动物还可从植物中获取色素，如类胡萝卜素呈黄色、橙色或红色，婴幼儿吃多了胡萝卜，皮肤也会呈黄色。另外还有黄素、嘌呤、视色素等。物理性显色是由于动物表面特殊结构对入射的光线起散射、干涉或衍射等作用所引起的，如公鸡羽毛呈蓝色，是由于羽毛内的盒状细胞的细胞壁上有许多微细空泡所致，当空泡直径小于600 nm时，对入射光线中波长较短的成分(主要是蓝光)起散射作用。有一种绿色树蛙(Hyla arborea)，其真皮内含有黄色细胞和嘌呤细胞，黄色细胞含有黄色素，呈黄色;嘌呤细胞内含有许多直径小于600 nm的鸟嘌呤结晶，光线照射到它时，对蓝光起散射作用，结果黄光和蓝光综合在一起就呈现绿色。如果用有机溶剂将黄色溶去，结果绿色的皮肤就变成了黄色。
? 动物体色的变化:动物的体色不是永久不变的，而是可变的，其变化方式一种是普通细胞所含色素的增减，而引起色泽的变化，是一种较为缓慢的变化，称为形态学变色。另一种方式是色素在色素细胞内的扩散或集中而引起的，是因为受到环境温度、湿度、光线、机械等刺激所产生的一种反应，称为生理性变色。
能变色的动物见于棘皮动物、环节动物、甲壳动物、昆虫、鱼类、两栖类以及爬行动物。鸟类和哺乳动物没有生理性变色。动物的变色还与机体的情绪、对生活背景环境色的适应性有关，具有昼夜节律。动物不通过视觉的变色反应称为原发性变色，通过视觉间接引起变色称为继发性变色。动物的变色有的通过神经系统，有的通过激素，还有的是变色神经、激素都起作用。
? 变色的功能意义:动物变色可躲避敌人、保护自己。许多昆虫和鱼类对背景色都有适应能力，通过变色反应，使自己的体色与背景色相近，使敌人不易发现。
动物的变色与体温调节有关，沙漠的角蜥在早晨和午夜气温较低，皮肤颜色较深，便于吸热;中午体色较淡，可减少吸热。
某些鱼类、头足类、爬行类的体色反应与生殖活动有关，动物的变色可能有显示性别、引诱异性的作用。
1-35 关于细胞周期
第2章 血 液
2-1 血液是动物进化的产物
血液是动物进化的产物。生命最初出现于海洋。原始的单细胞生物，直接从海水吸取营养并向海水排送废物。当海洋中出现多细胞生物时，除了表面的细胞仍然直接与海水接触外，内部细胞逐渐与海水隔离，开始出现细胞外液，其基本成分与远古海水十分相似，是一种盐溶液。在进化过程中，动物逐渐产生了自
身的细胞外液以代替海水，随着循环系统的出现，细胞外液又进一步分化为血管内的血浆和血管外的组织间液。与组织间液相比，除基础液主要是盐溶液外，血浆中又溶入了多种蛋白质，并逐渐出现了各种血细胞，这就是血液。
2-2 血液的组成和血量
如果取一定量的血液置入含有少量抗凝剂(anticoagulant)的比容管中混匀，以3000 r/min的速度离心30 min后，管中血液分为两层:上层浅黄色的清亮液体为血浆，下层深红色、不透明且积压较紧的部分为红细胞，中间夹一薄层白色不透明的白细胞与血小板。利用这种方法可测出红细胞在全血中所占的容积百分比，称做红细胞比容(hematocrit)或称红细胞压积(PCV)。由于白细胞和血小板的容积大约只占血液总量的1%，可忽略不计，所以红细胞比容近似于血细胞比容。不同动物的血细胞比容不同，一般代谢强度高或运动活泼的动物血细胞比容比较大，如成年男性高于成年女性，黄鳍金枪鱼、鲣和真枪鱼高于比目鱼等底栖鱼类。即使是同一个体，血细胞比容也可因生理或病理变化而改变，所以临床上可以通过测定血细胞比容来诊断相关疾病，如机体脱水时血细胞比容升高，贫血时则下降。
血浆主要由水(90%~92%)、蛋白质(6.5%~8.5%)和小分子物质(2%)组成。小分子物质包括电解质、营养物质、代谢产物和激素等。血浆蛋白是血液中多种蛋白质的总称。如用盐析法可将血浆蛋白区分为白蛋白(清蛋白，albumin)、球蛋白(globulin)和纤维蛋白原(fibrinogen)，而用电泳法又可将白蛋白区分为白蛋白和前白蛋白，球蛋白区分为α1、α2、β和γ–球蛋白等;如用分辨率更高的免疫电泳可将血浆蛋白进一步区分为120组分之多，而且动物越高等，血浆蛋白越复杂。
白蛋白、α和β–球蛋白、纤维蛋白原主要由肝合成，而γ–球蛋白主要由淋巴细胞和浆细胞分泌。白蛋白主要参与激素、营养物质和代谢产物的运输以及胶体渗透压的形成;α和β–球蛋白主要参与脂质和脂溶性物质的运输;γ–球蛋白主要参与机体的免疫反应，又称为免疫球蛋白;纤维蛋白原主要参与血凝和纤溶的过程。
各种血浆蛋白所占的比例，在不同动物中差别较大，但对于同种动物则相对稳定。例如，人、羊、兔、狗、猫、豚鼠和大鼠的白蛋白多于球蛋白;而猪、马、牛、鸡的白蛋白则等于或少于球蛋白。纤维蛋白原的含量通常不超过血浆蛋白总量的10%。在动物生长、妊娠、泌乳、肌肉运动等生理状态下或各种疾病状态时，血浆蛋白含量经常发生明显的变化，可以用于评价科研和临床的生理生化指标。
动物体内血液的总量称为血量(blood volume)。动物的血量用身体质量的百分比来表示(即每100 g体重所含的血液毫升数)，其中哺乳动物的血量占身体质量的5%~10%，人的血量为身体质量的7%~8%。体积大的动物血量相对少，幼年动物较成年动物多，鸟类和两栖类与哺乳动物相近，真骨鱼类最少，只占身体质量的1.5%~3.0%。通常大部分血液在心血管系统内流动，称为循环血量(circulating blood volume);少部分滞留在肝、肺、脾(鱼类)、皮下静脉丛等储血库中，称为储备血量(reservoir blood volume)。在剧烈运动、情绪激动或应急状态时储备血量可释放出来，补充循环血量的相对不足，以满足机体的需要。
血量的相对恒定是维持动物正常动脉血压和各器官血液供应的必要条件。健康动物一次失血如果不超过血液总量的10%，一般不会影响健康，而且能很快恢复，因为血浆中损失的水分和无机物可在1~2 h内由组织液进入血管补偿;血浆蛋白可在1~2 d内由肝加速合成而复原;但红细胞和血红蛋白的恢复相对较慢。如果一次急性失血超过总血量的20%，将引起机体活动的明显障碍;超过30%，就有可能危及生命。
血量可按稀释原理进行测定。例如，可由静脉注入一定量不易透出血管的大分子染料T1824或131I标记的血浆蛋白，测定其在血浆中稀释的倍数，然后计算出血浆总量，再按血细胞比容来推算出血液总量。同样，向静脉内注射一定量用51Cr或32P标记的红细胞，再测定标记红细胞稀释的倍数即可计算出红细胞总量，再根据血细胞比容计算出血液总量。
2-3 血液的理化特性
(1)血液的质量密度
血液的质量密度(比重)主要取决于红细胞与血浆的容积比;红细胞的质量密度主要和血红蛋白的浓度有关;血浆的质量密度主要和血浆蛋白的浓度有关。正常哺乳动物血液的质量密度(g/m3)为1.050~1.060，血浆的质量密度为1.025~1.030，红细胞的质量密度为1.070~1.090。
(2)血液的黏滞性
由于液体内部的分子摩擦阻力，使液体表现为流动缓慢、黏着的特性，称为黏滞性(viscosity)。血液或血浆的黏滞性通常是指与水相比的相对黏滞性，其中，血液的黏滞性为水的4~5倍，血浆为1.6~2.4倍。血液的黏滞性主要取决于红细胞的数量及在血浆中分布的状态，而血浆的黏滞性则取决于血浆蛋白的含量以及血浆中所含液体量。血液黏滞性的大小，对于血管中血流的阻力具有一定的影响，当血流速度缓慢时，红细胞可叠连或聚集成团，使血液黏滞性增大，血流阻力增加，从而影响血液循环。适当补充水分和加强运动可以减少血液黏滞性而促进血液循环。
2-4 血细胞的生成
(1)造血
造血(hemopoiesis)是指各类血细胞发育、成熟的过程。各类血细胞均起源于造血干细胞，根据造血细胞在发育过程中的功能与形态特征，可以把造血过程分为3个阶段:
? 造血干细胞阶段:在造血组织中存在一种未分化的、具有高度自我更新、高度增殖潜能和多向分化的干细胞，称为造血干细胞(hematopoietic stem cell)。造血干细胞经过不对称分裂产生两个子代细胞，其中一个保持造血干细胞的全部特征，而另一个则立即分化为定向祖细胞。
? 定向祖细胞阶段:造血干细胞能依次形成多系和各种单系定向祖细胞(committed progenitors)，从而限定了进一步分化的方向。各系定向祖细胞经过培养可形成相应血细胞的集落，称为集落形成单位(colony forming unit，CFU)。包括可形成红细胞的红系定向祖细胞(CFU?E)，可形成血小板的巨核系祖细胞(CFU?MK)，可形成各种白细胞的粒系祖细胞(CFU?G)、单核系/巨噬系祖细胞(CFU?M)、嗜酸系祖细胞(CFU?Eo)、嗜碱系祖细胞(CFU?Ba)、 TB淋巴系祖细胞(CFU?T/B)。
? 前体细胞阶段:在前体细胞(precursors)阶段，造血细胞已经发育成为形态上可以辨认的各系幼稚细胞。前体细胞进一步发育成熟即成为具有特殊功能的各类终末血细胞，然后有规律地释放进入血液循环。由前体细胞发育成成熟的血细胞是一个连续而又分阶段的过程，例如红系定向祖细胞依次要经历原红细胞?早幼红细胞?中幼红细胞?晚幼红细胞?网织红细胞才能发育为成熟红细胞。哺乳动物的成熟红细胞通常呈双凹圆盘形(驼科和鹿科例外，呈卵圆形)，直径为5~10 μm，并失去细胞核和细胞器。但其他多数脊椎动物的红细胞呈扁卵圆形，有细胞核，且体积比哺乳动物的大，例如鱼类、两栖类、爬行类和鸟类。
各级造血细胞的分离、纯化和鉴定，除了依靠细胞形态和体外培养集落形成单位外，细胞表面标志如分化抗原(cluster of differentiation，CD)等成为近年来的主要依据。
(2)关于造血干细胞的表面标志
近年来，根据造血干细胞在分化过程不同阶段出现或消失的细胞表面标志，如分化抗原(cluster of differentiation，CD)，利用单克隆抗体和流式细胞仪可以分离、纯化和鉴定不同阶段的造血干细胞、祖细胞。目前分选造血干细胞、祖细胞的主要标志是CD34抗原。在CD34抗原阳性(CD34+)的细胞中，90%以上为定向造血干细胞。CD38抗原是出现于祖细胞阶段的另一种分化抗原，当造血干细胞开始表达CD38抗原时，即进入祖细胞阶段。祖细胞定向分化时，细胞表面还可出现“系特异性抗原”(lineage specific antigen，Lin抗原)，如单核系的CDl4，红系的CD36、 CD47、CD59、CD71，粒系的CD11、CD13、CD15、CD16，B淋巴系的CD19、CD20、CD21、CD22，T,NK系的CD2、CD7、CD11、CD25、CD56，以及巨核系的CD31、CD41、CD42、CD61、CD63、CD107等。因此，一般认为人类造血干细胞的主要表面标志是CD34+CD38–Lin–。然而，近年来有人发现 CD34–CD38–Lin– 细胞也具有很强的自我更新能力，移植后可有效地重建造血与免疫功能。有人认为CD34+CD38–Lin– 造血细胞可能是由 CD34–CD38–Lin– 造血细胞发育而来的。就目前的分离技术而言，难以获得较高纯度的CD34–CD38–Lin– 细胞，有关其生物学特性和生理意义还有待进一步深入研究。
(3)造血部位的变迁
各种脊椎动物的造血组织主要起源于中胚层，但具体部位因不同种属而异，即便是同一动物，造血器官也因个体发育而变迁。在哺乳类，胚胎发育的早期是在卵黄囊中间层的血岛内造血;随着胚胎的进一步
发育，造血干细胞则开始由卵黄囊迁移至肝、脾造血;到胚胎发育的中晚期，则迁移至骨髓造血，而肝、脾的造血活动逐渐减少;到出生后几乎完全依靠骨髓造血。
具体说到人的造血过程，在胚胎发育早期由卵黄囊造血;从胚胎第2个月开始，则由肝、脾造血;当胚胎发育到第4个月后，肝、脾的造血活动逐渐减少，骨髓开始造血并逐渐成为造血的主要部位。若在胚胎发育早期切除卵黄囊，可完全阻断卵黄囊以后其他造血器官造血的发生，表明卵黄囊时期的造血干细胞和以后肝、脾和骨髓的造血有着直接的联系。婴儿出生时，几乎完全依靠骨髓造血，但需要时，肝、脾也可参与造血以补充骨髓功能的不足，即此时的骨髓外造血具有代偿作用。4岁之后，骨髓腔的增长速度超过造血细胞增加的速度，脂肪细胞逐渐填充骨髓腔的空间，出现红骨髓和黄骨髓之分别。到18岁左右时，只有脊椎骨、髂骨、肋骨、胸骨、颅骨和长骨近端骨骺处才有造血骨髓，但足 第2章 血 液 4 0 以满足正常造血。成年人如果出现骨髓外造血，已无代偿意义，而是造血功能紊乱的表现。成人各部位红骨髓的功能状态并不一致。椎骨、胸骨、髂骨等处的红骨髓造血功能较为活跃，其中以椎骨为最，而胸骨柄上部前侧是黄骨髓，髂骨等处红骨髓中也可有局部脂肪灶。
软骨鱼、爬行类和鸟类的胚胎期，胚胎的肾是重要的造血器官，此外还有胸腺、腔上囊(鸟类)、脾(鱼类)等。
2-5 骨髓移植
造血干细胞自我更新和多向分化的能力是机体维持正常造血的主要原因。造血干细胞的变异会导致造血障碍，严重影响机体健康。造血干细胞的深入研究为血液疾病的诊断和治疗提供了科学的理论依据。临床上抽取正常人的部分骨髓(含有造血干细胞)移植给造血或免疫功能低下的患者，可以使其重建造血和免疫功能，称为骨髓移植(bone marrow transplantation)。正常情况下，外周血液中只存在少量造血干细胞(仅为骨髓中的10,)，但经适当处理，可将骨髓中的造血干/祖细胞动员到外周血液中，因而也可以对患者进行外周血干细胞移植。另外，造血干细胞还可以作为基因转染的理想靶细胞而用于基因治疗，其自我更新能力便于所转基因在体内长期表达。
2-6 造血微环境
尽管有少量造血干细胞可由骨髓释放到外周血液，但造血干细胞的增殖和分化仅局限于造血组织内，这个使造血干细胞定居、存活、增殖、分化和成熟的场所(T淋巴细胞在胸腺中成熟)，称为造血微环境(hemopoietic microenvironment)，包括造血器官内的基质细胞、基质细胞分泌的细胞外基质和各种造血调节因子，以及造血器官内的神经和血管。造血微环境是保证正常造血的必需场所，主要发挥支持、调控和诱导等作用。在个体发育过程中，造血中心的迁移即依赖于各种造血组织中造血微环境的形成。造血细胞必须黏附于基质细胞后才能存活。骨髓中的造血基质细胞包括成纤维细胞(也称网状细胞)、内皮细胞、外膜细胞、单核细胞、巨噬细胞、成骨细胞和破骨细胞等，这些细胞所分泌的胶原、纤连蛋白、层粘连蛋白、造血连接蛋白及蛋白多糖等有利于造血细胞的黏附。基质细胞还可分泌多种造血调节因子和细胞外基质如糖蛋白(包括纤连蛋白、层粘连蛋白及造血连接蛋白等)和蛋白多糖(如硫酸软骨素、硫酸肝素、透明质酸及硫酸皮肤素)等。造血器官损伤后，造血功能的恢复依赖于基质成分的重建。
2-7 不同动物血液学部分参考值
第3章血 液 循 环
3-1 动物的血液循环进化
动物的循环系统从无到有的演化，反映了动物由低等到高等、结构由简单到复杂的发展过程。动物体的循环系统可分为开放式循环系统和封闭式循环系统。但无论是哪一种循环系统都是由周围管道系统和心脏(或泵器官)两部分组成的。
脊椎动物的循环系统都属于封闭式循环系统，血液始终在管道内运行，只有在毛细血管处与组织液进行物质交换。当脊椎动物从水生到陆生，循环系统也由单循环逐渐发展到完善的双循环。以鱼类为代表的单循环是指血液在整个鱼体内循环一周，只经过一次心脏。由心脏泵出的血液经过鳃，进行气体交换后，直接进入体循环。而且心脏也只有一心耳、一心室。哺乳动物的血液循环彻底分为两个系统。心脏被分隔为两心房、两心室。由心脏射出的血液，经过肺，进行气体交换后，再次回到心脏;再由心脏重新泵出，
进入体循环。也就是说，血液循环一周，可经过两次心脏加压。因此，哺乳动物的循环系统的效率明显比鱼类的高。
从鱼类到哺乳动物，动物随栖息的环境的改变，其循环系统也随之发生了适应性进化，在它们中间出现许多中间类型的循环系统。两栖类动物用肺呼吸，除体循环外还出现了肺循环。纵隔将心房分为左、右心房。两栖类动物虽只有一个心室，但仍能将来自肺的氧合血与来自身体的脱氧血部
分地区分开，在其右侧为含CO2量高的血，左侧为含O2量高的血，中间为混合血，这是一个不完全的双循环。
爬行类动物——非鳄类的心脏进一步发展，在动脉圆锥中出现了纵隔，并分别与大动脉和肺动脉相连。心室中出现不完整纵隔。而高等爬行动物——鳄类有完整纵隔，并出现四腔室的心脏和完全独立的大、小循环。
鸟类和哺乳类动物的心脏完全分成两心房和两心室。左右心室完全隔开，肺动脉与大动脉完全分开。动、静脉血不再混合，大动脉中则是含氧量高的血液，各器官组织能得到更多的氧，使代谢活动的水平提高。肺循环和体循环各自独立，成为完善的双循环。鸟类保留了右主动脉弓，而哺乳类则保留了左主动脉弓。
在哺乳动物和非哺乳类脊椎动物的循环系统中还有一个重要区别:所有非哺乳类脊椎动物都有肾门静脉，肾都从动物体的后部接受静脉血。鸟类也保留肾门静脉循环，而哺乳动物则没有肾门静脉，这种差异对于了解肾生理是重要的。
3-2 动物血液循环的发现及其研究
血液循环的发现是许多科学家医学实践和动物实验观察积累的结果。古希腊的医生们因为在解剖尸体时，动脉中的血液都流入静脉，动脉是空的，因此认为动脉内充满着由肺进入的空气。2世纪罗马医生加伦(Claudius Galen，公元129—199)在解剖活动物时，先将动脉上下两端结扎，然后再剪破这段动脉，发现其中充满了血液，从而纠正了古希腊传下来的错误看法;同时也认为，血液是由消化管吸收食物，经门静脉运送到肝，由肝转变为血液。血液由腔静脉进入右心室，其中一部分通过心室中隔膜上的无数小孔进入左心室，与血液混合，通过热作用获得流向身体各处的动力，使身体各部分能执行生命机能;然后再退回心室。血液在动脉和静脉中，如同涨潮和退潮，这就是几乎统治西方医学近1 500年之久的“加伦血液潮汐理论”。16世纪比利时解剖学家唯萨里(Andreas Vesalius，1514—1564)认真地从事尸体解剖，指出在心室中隔上并没有小孔，纠正了许多错误说法，奠定了近代解剖学基础，也促进了近代生理学的诞生。1553年，西班牙神经学家 Michael Servetus(1511—1553)再次否定了加伦的错误理论，提出血液从右心室经过肺到左心室的看法，首次提出肺循环的概念。意大利博物学家、医生Caesalpinus(1519—1603)提出有别于加伦理论的看法，心脏收缩时将血液排放到动脉(包括肺动脉)，而心脏舒张时血液则从静脉回到心脏，从而提出了肺循环和体循环的概念。作为加伦理论的崇拜者，解剖学家Fabricius(1537—1619)发现了静脉中的瓣膜结构，认为瓣膜可以对血流起到一定程度的阻碍作用。这对血液循环学的建立是一重大进步。
英国学者威廉?哈维(William Harey)不受前人思想的约束，致力于在动物身上用活体解剖和科学实验的方法研究血液循环。他证明了心脏是循环系统的中心，血液是由心脏泵入动脉，再由静脉回流入心脏，不断循环。1628年哈维发表了《动物心脏及血液运动的解剖学研究》，创立了血液循环学说。从3个方面用实验证实和推测他的新学说: ?血液借助心脏的收缩活动快速由腔静脉大量运送到动脉;只需半个小时，心脏收缩射出的血量就相当于全身的血液总量;如此大的血量是不可能在同一时间由静脉储存或由消化管吸收的营养物质转化来的。 ?用捆扎手臂实验证明了血液是由动脉不断地流经四肢及身体其他各部分。 ?静脉将身体各部分血液不断送回心脏，而静脉瓣是防止血液倒流的关键结构;并通过手臂的皮下静脉演示了血液在静脉中的流动方向及与瓣膜的关系，图3–4中，手臂在AA处扎紧，可见在静脉的分支处(B、E、F)及无分支处(C、D)出现隆起，其隆起是静脉所在之处。如用手指按压图H处的静脉，再用另一只手指从H到O将静脉中的血液挤出，则H点与瓣膜O之间的静脉消失，而在瓣膜前的OG段静脉则扩张;如果在G处沿GO方向轻压静脉，则OG段更加膨胀，而在OH段仍空瘪;抬起H处手指，则可看到
血液从远心端向心脏方向流动，HO段迅速膨胀。这一实验说明，由于瓣膜的作用，使血液在静脉中作向心性流动。尽管哈维时代显微镜还不完善，尚不能观察到动脉与静脉之间的毛细血管，但是他还是通过他的实验作出了正确的推断，基于事实的想象力使他跨过动脉和静脉之间的空缺。他逝世之后，显微镜得到改进，意大利解剖学家马尔丕基(Mareell’ Malpghi)在1661年发现了动脉与静脉之间的毛细血管，证实了哈维的推断。
3-3 不同动物的心率比较
3-4 不同家禽的心率、心输出量与血压的比较
3-5 一些脊椎动物的心率和心输出量
3-6 心脏作功效率
在心脏的泵血活动中，心脏消耗的能量除了用于完成每搏功这一机械外功，还用于完成离子跨膜主动转运、室壁张力的产生、克服心肌组织内部的黏滞阻力等，这部分并非直接用于泵血，故称之为内功。心脏所作的内功将转化为热能释放出来，是无效功。心脏所作外功占心脏总能量消耗的百分比称为心脏的效率(cardiac efficiency)。心脏的效率则可表示为: %100?=心脏耗氧量心脏所完成的外功心脏的效率
正常心脏的最大效率为20%,25%。动物的生理情况不同，其心脏的效率也不相同。心肌的耗氧量取决于心肌收缩时产生的张力和张力持续的时间。动脉血压升高时为了能射出同等的搏出量，心室必须加强收缩，收缩期心室壁张力增高，心肌耗氧量也会明显增加，将导致心脏的效率降低。当充血性心力衰竭时，因外周血管收缩，心室射血阻力增大，因此收缩期心室壁张力增高 ;同时由于此时射血分数降低，心室舒张末期容积加大，那么舒张期心室壁的张力也增高，两者都导致心肌耗氧量增加，故心脏的效率降低。在人可降低到5,,10,。
3-7 Frank-Starling心定律
心脏搏功随心室舒张末期压增加而增加的现象，首先于1894年被德国生理学家Frank发现，1914年为英国生理学家Starling 所确定，故被称为Frank,Starling心定律。
3-8 心室功能曲线
为了分析前负荷和初长度对心脏泵血功能的影响，在保持动脉血压恒定不变的条件下，改变心室舒张末期容积和压力对搏出量的影响可通过“心室功能曲线”进一步说明。心室功能曲线反映了左心室舒张末期容量(即前负荷)与心室搏功(每搏功)的关系。
在安静状态下，心室舒张末期的充盈压为0.67,0.80 kPa(5,6 mmHg)，此时搏出功随初长度的增加而增加，为心室功能曲线的左侧上升支部分，但前负荷和初长度尚未达到最适水平，说明心肌的前负荷和初长度有一定的储备。当心室舒张末期充盈压增加到1.62,2.0 kPa(12,15 mmHg)时，心室的前负荷处于最佳状态，此时心肌细胞肌节长度为2.0 μm，其中的粗、细肌丝有效重叠的程度最佳，与肌动蛋白结合的横桥数目最多，因而心肌的收缩力最强(见第1章)。当心室末期充盈压增高到2.0,2.68 kPa(15,20 mmHg)时，心室功能曲线转为平坦，说明通过初始长度变化调节其收缩功能的作用较小。心室舒张末期压再升高，曲线平坦或轻度下倾，但不出现明显的下降支，由于心肌细胞外间质内含有大量胶原纤维，使心肌伸展性较小，在处于最适初长度时产生的静息张力已经很大，从而限制了心肌细胞进一步被拉长。实验证明，即使在前负荷很大的情况下，心肌肌节的初长度一般也不会超过2.25,2.30 μm，这种特性使心脏即使在心室舒张末期充盈压很高时，每搏输出量和所作的功也可保持不变或略有下降。 3-9 影响后负荷的因素(Laplace 定律)
心室收缩只有克服了后负荷才开始，而在射血过程中室壁的张力不再增加，因此心室射血期的室壁张力可以直接反映出心室的后负荷。室壁张力的大小可用Laplace 定律计算:
室壁张力,室内压?心室腔/心壁厚度?2
室壁张力取决于室内压和心室腔的半径。室内压越高，室壁张力越大，后负荷越高;当动脉压升高时，心室必须增强收缩，产生更大的室壁张力，才能射出血液，所以耗氧量增加，心脏作功效率降低。当心室舒张期末容积(前负荷)增大时，舒张期末心室壁被动张力增大，要维持一定的室内压就必须增大室壁的张力，故后负荷增大，心肌收缩需要产生更大的张力才能射血，所以心脏的作功效率下降。这种情况多半
发生在病理情况下，一般正常健康心脏，这一不良的影响可被异长自身调节引起的心肌收缩力增强所掩盖。 3-10 心肌动作电位发生中4期的内向电流
If 通道是一种可因细胞膜超极化而被激活开放的离子通道，也被称为Ih通道。Ih通道在浦肯野细胞复极化到–60 mV时开始被激活，到–100 mV时完全被开放，引起内向电流If 。这一电压范围正是浦肯野细胞的舒张除极化电压范围，因此能引起起搏，故又被称为起搏电流(pacemaker current)。但是If 通道激活后的开启速率比较慢，If电流需要较长时间才能使浦肯野细胞舒张除极化达到阈电位水平而引起一个新的动作电位，所以浦肯野细胞的自动节律性较低。
浦肯野细胞舒张除极化过程中的外向电流是延迟整流K+电流(Ik)。Ik 通道在除极化过程中就被激活了，并且电流幅值逐渐增大，引起动作电位复极化。当动作电位复极化到 –50 mV左右时，Ik的幅值因通道的去激活(deactivation)关闭而逐渐减小，这逐渐减小的外向电流的发生有利于舒张除极化的发生。但是因为浦肯野细胞的最大舒张电位为 –90 mV，远低于Ik通道去激活关闭电位(–50 mV)，所以外向电流的衰减对浦肯野细胞舒张除极化过程影响很小。
3-11 几种脊椎动物ECG各期所占时间百分比的比较
3-12 发生在血管中的层流和湍流
血液在血管内流动的方式可分为层流(laminar flow)和湍流(turbulence)。在层流时，血液中各个质点流动的方向都一致，与血管长轴平行;但各质点流速不同，在血管轴心处流速最快，越靠近管壁流速越慢。血液中的各质点流速在血管内以同心圆形式分布，并在同一层血流质点的流速相同，而由轴心至血管壁，各层血液的流速依次递减(图3–7，其中的箭头长度表示流速，在血管的纵剖面上各箭头的连线形成一抛物线)。这样，在血管中央血流速度快，压强则低，而在血管壁附近血流速度慢，压强高，故使红细胞(血细胞也一样)在向前流动时会受到一个垂直于血管中轴的附加力的作用，使红细胞向血管轴心集中，而紧靠血管壁处是一层没有血细胞的血浆。当血液流经血管分叉处时，该层血浆易于流入侧支，使分支血管内的血液的血细胞比容低于主干血管中的血液的。
在层流时，血流量与血管两端压力差成正比。但当血流速度加快到一定程度，就会发生湍流，此时血液各质点流动的方向不一致。产生湍流，血流量不再与血管两端压力差成正比，而与压力差的平方根成正比。关于流速、血管口径、血液黏滞度(blood viscosity)与湍流之间的关系可用下面公式表示:Re ,ρVD/η 公式中V为液体流动的平均速度，单位为 cm/s;D为血管直径，单位为 cm;ρ为液体密度;η为黏滞度，单位为 Poise(泊)。Re为 Reynolds值，没有单位。当Re数超过2 000时，就可发生湍流。因此，长、直、内膜光滑的血管，血流为层流;在血管分支处、动脉粥样硬化引起的血管狭窄处，由于血管口径变小，即使血流速度正常，也可能形成湍流。
3-13 几种动物特殊状态下的血压
值得注意的是，在研究心血管系统中的压力时，必须考虑流体静力学因素，即静止的流体在重力作用下，其压力随深度而均匀增加。可用下面公式表示:,,ρgh
公式中ρ为流体的密度，单位为g/cm3;g为重力加速度，单位为980 cm/s,;h为深度，单位为 cm。
以心脏作为参照水平，由于流体静力学因素ρgh的效应，当人站立时，因重力的影响，人头部的动脉血压可降至约7 kPa(50 mmHg)。而对于长颈鹿来说，其头部由于高出心脏约2 m，则需要比人更高的动脉血压来维持头部的血液供应。长颈鹿昂头直立时，头部的动脉压约为13.33 kPa(100 mmHg)，而心脏处的动脉压高达34.66 kPa(260 mmHg)，这样的血压对于人类来说是极度危险的。此外，为了适应这种极高的血压状态，长颈鹿的动脉管壁特别厚，足以维持如此高的血压，而全身静脉系统都有向心性静脉瓣以保证血液从肢体回流至心脏。当长颈鹿的头从4.5 m的高处低下饮水时，颈部静脉瓣膜可阻止血液流回头部，避免头部的血压升高。
爬行动物如地栖活动的蛇类的情况则与长颈鹿的刚好相反。在地面爬行的蛇，其头部几乎与心脏在同一水平，不需要大的压力就可将血液推向头部。通常大多数蛇类的血压都比哺乳动物的血压低很多，如果蛇将头抬起，则身体较低处的静脉血返流至心脏的血液量就少，进而流向头部的血液也减少。如果蛇以45?角抬头，则流向头部的血液就减少为零(图3–9)。而树栖活动的蛇类情况又有所不同，它们对抬头动作
的耐受能力较强，血压通常较高，即使头部抬起程度很高，头部的供血也比较好。
3-14 心血管反射的中枢整合型式
(1)防御反应
例如当动物的安全受到威胁而处于警觉、戒备状态时，可出现一系列复杂的行为和心血管反应，称为防御反应(defense response)。伴随防御反应的心血管整合型式最具特征性的是骨骼肌血管舒张，同时心率加快，心输出量增加，内脏和皮肤血管收缩，血压轻度升高。
(2)肌肉运动反应(exercise response)
肌肉运动时，血管舒张仅发生在进行运动的肌肉，不运动的肌肉则发生血管收缩。 (3)睡眠
睡眠时心脏和血管的活动恰好与防御反应时相反，即心率减慢，心输出量稍减少，内脏血管舒张，骨骼肌血管收缩，血压稍降低，颈动脉窦压力感受性反射活动增强。
(4)装死反应
某些动物如负鼠、土拨鼠、野兔、袋鼠和幼鹿等，可在自身受到威胁的情况下出现一种消极的防御反应即装死反应(play dead reaction)，此时呼吸几乎停止，心率明显减慢，血压降低。 (5)潜水反射
水生哺乳动物和部分鸟类在潜水时，呼吸暂停，并立即出现特定形式的心血管活动的改变，称为潜水反射(diving reflex)。主要表现为:心率明显减慢，心输出量减少，骨骼肌和内脏的血管收缩，以保证重要器官如脑、心脏的血液供应。同时皮肤动静脉短路开放，促使静脉血回流至心脏。当头部重新露出水面时，心血管活动立即发生相反的变化。
3-15 肾上腺素和去甲肾上腺素作用
3-16 血管内皮生成的血管活性物质
多年来都认为血管内皮仅是衬在血管内的一单层细胞组织，在毛细血管处是进行物质交换的隔膜。但近年来研究发现，内皮细胞可以生成、释放许多血管活性物质，影响血管平滑肌的舒、缩活动。 (1)血管内皮生成的舒血管物质
舒血管物质主要有前列环素(prostacyclin，也称前列腺素I2，即PGI2)、内皮舒张因子(endothelium-derived relaxing factor，EDRF)，可使血管舒张。目前认为，L–精氨酸在一氧化氮合酶的作用下可生成一氧化氮(nitric oxide，NO)。NO可使血管平滑肌内鸟苷酸环化酶激活，cGMP浓度升高，游离Ca2+ 浓度降低，引起血管舒张。血流对血管内皮产生的切应力(冲击力)、低氧、P物质、5–HT、ATP、M型胆碱能受体和缩血管物质等都可促使内皮细胞释放NO。
(2)血管内皮生成的缩血管物质
目前已知的内皮缩血管因子(endothelium-derived vasoconstrictor factor，EDCF)包括内皮素、血栓烷A2、血管紧张素?(Ang?)等。内皮素是由内皮细胞合成和分泌的21个氨基酸组成的多肽，具有强烈的缩血管效应。血栓烷A2由血管内皮细胞和血小板合成，有缩血管和促使血小板聚集作用。
心房钠尿肽(atrial natriuretic peptide)也称心钠素，是由心房肌合成和释放的一种多肽。具有强烈的利尿和利尿钠作用，并能使血管平滑肌舒张，血压降低。还能抑制肾素–血管紧张素–醛固酮系统的分泌，抑制血管升压素的释放。在血容量和血压升高时，使心房肌释放心钠素，产生利尿和利尿钠作用，与血管升压素共同调节体内水盐代谢的平衡。
存在于血浆中的激肽(kinin)有两种，一种是由高相对分子质量的激肽原水解产生的缓激肽(bradykinin)，另一种是由低相对分子量激肽原产生的十肽，为赖氨酰缓激肽(也称血管舒张素，kallidin)。激肽可引起内脏平滑肌收缩，也可通过内皮释放NO，使血管平滑肌舒张，激肽还可使毛细血管通透性增高，缓激肽和血管舒张素是已知最强烈的舒血管物质。在一些腺体器官中生成激肽，可以使器官局部血管舒张，血流量增加。
3-17 其他体液调节因子
(1)CO(carbonic oxide，CO)
现在证明CO不仅是一种危及生命的有毒气体，它也是一种神经递质。内源性的CO约有70,是在血红素加氧酶催化血红素生成胆绿素的过程中形成的。CO是内源性舒血管因子。几乎所有人的器官、组织、细胞都可以合成和释放CO，它能够降低肺动脉阻力，主动脉等很多血管产生的CO均能引起血管舒张。CO舒血管作用与缺氧无关，其主要机制可能是: ?激活可溶性的鸟苷酸环化酶，使细胞内的cGMP含量增加，与NO作用相似使血管舒张，但与NO相比其与鸟苷酸环化酶的亲和性要低于NO; ?促进血管平滑肌细胞膜上钙依赖性K+ 通道的开放，引起细胞的超极化，从而使电压依赖式Ca2+ 通道关闭，降低细胞内的IP3和肌丝对Ca2+ 的敏感性，导致血管舒张; ?抑制细胞色素P450，减少缩血管物质的产生。 (2)降钙素基因相关肽(calcitonin gene-related peptide，CGRP)
体内的CGRP与降钙素(calcitonin，CT，见第9章)来自同一个基因，CGRP主要分布于人和哺乳动物的神经系统、心血管系统和非组织内。目前已知CGRP是最强的扩血管物质，其作用缓慢而持久。对心脏有正性变时、变力作用。CGRP作用于中枢神经系统主要是通过兴奋交感神经引起心率增快、收缩力加强、血压升高。
(3)组胺(histamine)
许多组织特别是皮肤、肺和肠系膜的肥大细胞中含有大量的组胺，血液中的嗜碱性粒细胞也含有大量的组胺。任何组织在受到损伤或发生炎症、变态反应时，都可以释放组胺。组胺有强烈的舒血管作用，并能使毛细血管和微静脉通透性增加，血浆漏入组织，引起局部组织水肿。
(4)5–羟色胺(5–hydroxytryptamine，5–HT)
5–HT 对心血管功能具有局部性调节作用。对不同部位、不同状态下的血管床可表现为舒血管作用，也可表现为缩血管作用。禽类血液中5–HT与组胺含量较高，具有降压作用。
(5)尾加压素?
尾加压素?(urotensin ?，U?)最初是从硬骨鱼类刺鳍鱼的尾部下垂体分离出来的一种环状多肽，近年已在多种动物和人体中克隆出。人的U?主要分布在心血管和神经组织中，是目前所知体内最强的缩血管活性肽。鱼的U?主要分布于尾下垂体和神经系统，两栖类和哺乳动物主要分布在脊髓、延髓和脑。U?与G蛋白耦联受体结合后可产生的生理效应有: ?离体的血管收缩或舒张，因种属、部位不同而有差异。 ?对血压和心输出量的影响。U?能升高鳗鱼、鲑鱼的动脉压;大剂量可使鼠血压下降和心动过速;对恒河猴小剂量可使心输出量轻度升高，局部血管阻力降低，血压无明显变化。大剂量引起心输出量明显下降，外周阻力明显升高，血压轻度降低。 ?促进细胞肥大和增殖。主要是通过Ca2+、Ca2， 依赖式CaM、PKC和MPK通路实现。 ?内分泌功能(见第9章)。
第3章 血 液 循 环 6 9
3-18 器官循环
(1)冠脉循环
?冠脉循环的解剖特点:心肌的血液供应来自左、右冠状动脉。冠状动脉的主干平行于心脏的表面，其小分支常以垂直于心脏表面的方向穿入心肌，并在心内膜下分支成网。
心肌的毛细血管网分布极为丰富。毛细血管数和心肌纤维数的比例为1:1，在心肌横截面上，每平方毫米面积内有2 500,3 000根毛细血管。因此，心肌和冠脉血液之间的物质交换可很快地进行。冠状动脉之间有侧支互相吻合，但由于侧支较细小，不易建立侧支循环。
?冠状循环的生理特点
(a)途径短，流速快;血液从主动脉根部经管状血管至右心房仅需几秒钟。
(b)血流量大;冠脉血流非常丰富。在安静状态下，总的冠脉血流量占心输出量的5%，当运动时，冠脉血流量则明显增加。
(c)灌注压较高;冠状动脉直接开口于主动脉根部，且冠状血管短而细，因此，冠状血管内的血压能维持在较高的水平。
(d)血流量呈时相性;在整个心动周期中，心舒期长于心缩期，故心舒期冠状血流总量大于心缩期。当心肌收缩增强时，心缩期血流量所占的比例更小。因此，主动脉舒张压的高低，以及心舒期的长短是决
定冠状血管血流量的重要因素。
?冠脉血流量的调节
(a)心肌代谢水平对冠脉血流量的影响;心肌收缩的能量来源几乎依靠有氧代谢。由于心肌连续不断地进行舒缩活动，即使在安静状态下，耗氧量也较大。动脉血流经心脏后，其中65,,75,的氧被心肌摄取。因此心肌提高从单位血液中摄取氧的潜力较小。在运动、精神紧张等情况下，心肌代谢活动增强，耗氧量也随之增加。此时，机体主要通过增加冠脉血流量来满足心肌对氧的需求。目前认为，心肌代谢增强引起冠脉血管舒张的原因是由于某些心肌代谢产物的增加，其中最重要的是腺苷。心肌代谢加快时，局部组织中腺苷生成量增多。腺苷具有强烈的舒张小动脉的作用，但因腺苷生成后，可在几秒钟内被破坏，因此不会引起其他器官的血管舒张。心肌的其他代谢产物如H+、CO2、乳酸、缓激肽等也有舒张冠脉的作用。
(b)神经调节;冠状动脉受迷走神经和交感神经支配。迷走神经兴奋对冠状动脉的直接作用是引起舒张。但迷走神经兴奋时又使心率减慢，心肌代谢率降低，使得迷走神经对冠状动脉的直接舒张作用被抵消。心交感神经兴奋时，可使冠状动脉平滑肌先收缩后舒张。前者的效应是交感神经直接对冠状动脉的收缩反应;后者是由于心肌的代谢活动所造成的。总之，在整体条件下，冠脉血流量主要是由心肌本身的代谢水平来调节的。神经因素对冠脉血流的影响在很短时间内就被心肌代谢改变所引起的血流变化所掩盖。
(c)体液调节;肾上腺素和去甲肾上腺素可通过增强心肌的代谢活动和耗氧量使冠脉血流量增加;也可直接作用于冠脉血管引起血管收缩或舒张。甲状腺素增多时，心肌代谢加强，耗氧量增加，使冠状动脉舒张，血流量增加。大剂量血管升压素可使冠状动脉收缩，冠脉血流量减少。血管紧张素?也能使冠状动脉收缩，冠脉血流量减少。
(2)肺循环
肺循环的功能是使血液在流经肺泡时和肺泡气之间进行气体交换。其血液供应的途径有两条，其一是体循环的支气管动脉供应呼吸性小支气管以上的呼吸道;其二是肺循环，功能是进行气体交换。肺循环和支气管血管之间有吻合支沟通。因此，有一部分支气管静脉血液可经吻合支进入肺静脉和左心房，使主动脉血液中掺入1,,2,的未经交换的静脉血。
?肺循环的生理特点
(a)途径短，阻力小;肺动脉分支较短而管径大，管壁薄。而肺静脉比肺动脉全长还要短，血管总横切面积大，因此，肺循环的阻力小。
(b)血压较低;因右心室心肌的收缩力弱，肺循环的血压较低，为体循环的1/6,1/4。 (c)血管壁薄，顺应性大;肺动脉壁薄，弹性纤维少而短，顺应性大，故肺的血管容量波动较大。由于肺的血容量较多，而且变动范围较大，故肺循环血管也起储血库的作用。当机体失血时，肺循环可将一部分血液转移至体循环，起代偿作用。
?肺循环血流量的调节
(a)神经调节;肺循环血管受交感神经和迷走神经支配。刺激交感神经对肺血管的直接作用是引起收缩和血流阻力增大。但在整体情况下，交感神经兴奋时体循环的血管收缩，将一部分血液挤入肺循环，使肺循环的血容量增加。循环血液中的儿茶酚胺也具有同样的效应。刺激迷走神经可使肺血管舒张。乙酰胆碱也可使肺血管舒张，但在流经肺部后即分解失活。
(b)低氧和CO2;肺泡气的氧分压对肺部血管的舒缩活动有明显的影响。急性或慢性低氧都能使肺部血管收缩，血流阻力增大。引起肺血管收缩的原因是肺泡气的氧分压低。当部分肺泡内气体的氧分压降低时，这些肺泡周围的微动脉收缩，血流阻力增大。这一反应有利于减少流经氧分压较低的肺泡的血液，使较多的血液流经氧分压高的肺泡，因此肺静脉血液中的含氧量不致有明显的降低。但目前肺部血管对低氧发生缩血管反应的机制尚不清楚，可能是缺氧时局部非组织产生了某些缩血管物质。如果吸入气的氧分压过低，或因肺的通气功能不足而使肺泡气的氧分压降低，可引起肺循环微动脉广泛收缩，整个肺循环的阻力明显增大，使肺动脉压升高。
(c)血管活性物质对肺血管的影响;肾上腺素、去甲肾上腺素、血管紧张素?、组胺5–羟色胺能使肺血管收缩。前列环素、ACh等能使肺血管舒张。
(3)脑循环
?脑循环的特点
(a)流量大，耗氧量多;脑组织的代谢水平高，血流量较多，安静时占心输出量的15%，而耗氧量占全身耗氧量的20%，但脑的质量仅占总体重的2%。
(b) 血流量变化小;脑位于颅腔内，颅腔是骨性的，其容积是固定的。颅腔内为脑、脑血管和脑脊液所充满，三者容积的总和也是固定的。由于脑组织和脑脊液都是不可压缩的，故脑血管舒缩程度受到相当的限制，血流量的变化较其他器官的小。因而增加脑的血液供应主要靠增加单位时间内的脑血流量。 (c)局部化学环境对脑血管舒缩活动影响大;尤其是血液中的CO2和O2分压对脑血流量的影响最明显。
(d)神经因素对脑血管活动的调节作用小。
(e)脑循环中存在血–脑屏障;脑循环的毛细血管壁内皮细胞相互接触紧密，并有一定的重叠，管壁无小孔。毛细血管和神经元之间并不直接接触，而为神经胶质细胞所隔开。这一结构特征对于物质在血液和脑组织之间的扩散起着屏障的作用，称为血–脑屏障(blood–brain barrier)。
?脑血流量的调节
(a)脑血管的自身调节:脑血流量取决于脑动、静脉的压力差和脑血管的血流阻力。在正常情况下，颈静脉压接近于右心房压，且变化不大，故影响脑血流量的主要因素是颈动脉压。颈动脉压升高时，脑血流量可相应增加;颈动脉压降低时，则相反。平均动脉压降低或颅内压升高都可使脑的灌注压降低。但当平均动脉压在一定范围(60,140 mmHg)内波动时，脑血管可通过自身调节的机制使脑血流量保持恒定。 (b)CO2和O2分压对脑血流量的影响:血液CO2分压升高时，脑血管舒张，血流量增加。CO2分压升高引起脑血管舒张的效应可能需要NO作中介。CO2分压过低，如过度加深呼吸呼出过多的CO2，则脑血管收缩，脑血流量减少，引起头昏。脑组织对血液氧分压的变化也很敏感，当氧分压降低时，可使脑血管舒张，增加脑血流量;而氧分压升高可使脑血管发生中等程度收缩。
(c)脑代谢对脑血流量的影响:脑各部分的血流量与该部分脑组织的代谢活动程度有关。当脑的某一部分活动加强时，该部分的血流量就增多。例如人在握拳时，对侧大脑皮质运动区的血流量就增加;阅读时脑的许多区域血流量增加，特别是皮质枕叶和颞叶与语言功能有关的部分血流量增加更为明显。代谢活动加强引起局部脑血流量增加的机制，可能是通过代谢产物如H+、K+、腺苷以及氧分压降低而引起脑血管舒张的。
(d)神经调节:脑血管接受交感缩血管纤维和副交感舒血管纤维的支配，但神经因素对脑血管活动的调节作用不明显。刺激或切除支配脑血管的交感或副交感神经，脑血流量没有明显的变化。在多种心血管反射中，脑血流量一般变化都很小。
?血–脑脊液屏障和血–脑屏障:脑脊液存在于脑室系统、脑周围的脑池和蛛网膜下隙内，可被视为脑和脊髓的组织液和淋巴。脑脊液的主要功能是在脑脊髓和颅腔、椎管之间起缓冲作用，有保护性意义。脑脊液中蛋白质和葡萄糖含量较血浆为少，Na+ 和Mg2+ 的浓度较血浆中的高，K+、HCO3,、Ca2+ 的浓度则较血浆中的低。可见，血液和脑脊液之间物质的转运是主动转运过程。另外，一些大分子物质较难从血液进人脑脊液，仿佛在血液和脑脊液之间存在着某种特殊的屏障，故称之为血–脑脊液屏障。O2、CO2等脂溶性物质可以很容易地通过屏障，但许多离子的通透性则较低。血–脑脊液屏障的基础是无孔的毛细血管壁和脉络丛细胞中运输各种物质的特殊载体系统。
血液和脑组织之间也存在着类似的屏障，可限制物质在血液和脑组织之间的自由交换，称为血–脑屏障。脂溶性物质如O2、CO2和某些麻醉药以及乙醇等，很容易通过血–脑屏障。毛细血管内皮、基膜和星状胶质细胞的血管周足等结构可能是血–脑屏障的形态学基础。另外，毛细血管壁对各种物质特殊的通透性也和这种屏障作用有重要的关系。
血–脑脊液屏障和血–脑屏障的存在，对于保持神经元周围稳定的化学环境和防止血液中有害物质侵入脑内具有重要的生理意义。
?脑血流量原理在脑成像技术中的应用:利用正电子发射断层成像术(positron emission tomography，
PET)和磁共振成像术(functional MRI，fMRI)可以观察大脑代谢活动、神经递质的受体在大脑不同区域的密度和分布，对大脑的血管形态进行精确的评估。
(a)正电子发射断层成像术(PET)的原理;大脑神经元活动需要以葡萄糖作为能量供应。大脑某一区域的活动越强，葡萄糖消耗就越多，局部脑血流量也越大。2–脱氧葡萄糖(2–deoxyglucose)是葡萄糖的一种类似物，能像葡萄糖那样被神经元吸收，并能被己糖激酶磷酸化产生脱氧葡萄糖6–磷酸。与葡萄糖的磷酸化产物葡萄糖6–磷酸不同，脱氧葡萄糖6–磷酸不能进一步代谢，这样脱氧葡萄糖6–磷酸就能在活动的神经元内积累起来。如果用同位素(常用18F)标记2–脱氧葡萄糖，就有可能应用PET来检测大脑局部区域对葡萄糖的利用情况，从而知道局部脑区的功能活动状况。此外，神经递质、神经递质前体以及能与受体进行特异结合的其他物质，都可以用同位素进行标记，用来检测脑内受体的分布和活动情况(如观察脑内多巴胺受体的分布)。
(b)磁共振成像术(fMRI)的原理;当大脑某一区域的神经活动增强时，该区域的血流量也随之增加。在时间上，这种血流量的增加总是发生在氧消耗量增加之前，因此，静脉血中氧浓度在短时间内升高。血氧浓度的升高使得大脑这一区域的磁共振信号显著地强于其他非活动的区域。应用快速MRfI技术，可以把这一短时间内发生的事件检测出来。应用fMRI技术我们可以在无任何损伤的情况下，观察大脑的结构细节和功能过程。
第4章 呼 吸
4-1 动物的呼吸器官及呼吸方式的进化
随着生物进化，动物机体的呼吸方式也不断进化。单细胞生物及一些较小型的动物(如原生动物、扁形动物、珊瑚及海绵等)通过细胞或体表直接与水环境进行气体交换。多细胞动物的大多数细胞不能直接与外环境进行气体交换。随着动物进化，由动物体表呼吸逐渐转移入体内，形成了能够进行气体交换的特殊呼吸器官。这些呼吸器官的共同特征是:有较广阔的气体交换面积，表面湿润，从而提高了气体交换效率;有丰富的毛细血管，且血液中逐渐出现呼吸色素，极大地提高了血液运输气体的能力。同时，循环系统也随之而迅速发展，起到运输气体、促进气体交换的作用。水生动物除了利用皮肤或某些体腔黏膜与水环境交换气体进行呼吸外，还逐渐形成鳃，通过鳃与水环境进行气体交换是非常有效的呼吸活动，鱼类的鳃已发展成为进行水呼吸的最完美而高效的呼吸器官。随着动物登陆，适应于空气呼吸的器官—肺也陆续出现。大部分昆虫是通过气管系统进行气体交换，该气管系统既是从空气中摄取氧的器官，也是把氧送到组织细胞的运输系统，其最小的分支微气管(tracheoles)，直径不到1 μm，可插入细胞间，把O2直接送到细胞内。气管系统通过气孔与外界相通，气孔有精确的开关机制，控制着与外界的气体交换;水栖昆虫利用气管鳃、直肠鳃进行水与空气间的气体交换;还有的昆虫通过体壁直接进行气体交换，或利用其体上某一部位上的疏水性毛的空间通过气泡或气膜进行气体交换。
在鱼类，肺鱼的肺和某些鱼类的鳔是最简单的司空气呼吸的结构，它们是咽部突出(或相连)的囊状结构，两栖类大多数幼体仍然用鳃呼吸，有的蚭螈甚至终生还保留着外鳃。成体两栖类改用肺呼吸，皮肤仅作为辅助呼吸器官。肺已被网状隔膜分成许多小室，逐渐出现了肺皮循环和体循环的双循环格局。爬行动物因颈部的分化，呼吸道也开始出现了分化;肺内部出现更为复杂的间隔，有极其丰富的肺动脉、肺静脉和毛细血管，使气体交换面积比两栖类的更大;而且肺有由肋骨组成的胸廓保护。在通气方式上，如果说鱼类和两栖类是靠口腔、鳃腔运动的压泵推动水呼吸或气体进出呼吸器官，那么从爬行动物开始有了依靠呼吸肌和胸廓的运动的吸泵推动气体进出肺。
鸟类的气囊虽没有气体交换的功能，但是它们和呼吸管道及肺的巧妙联系，保证了无论是在吸气或在呼气的过程中，气囊中的气体总是单方向地通过肺进行气体交换，由于有许多气囊，储存气体的量相当于哺乳动物的3倍，这对于鸟的高空飞行十分有益。事实上在某些爬行类如蝮蛇和避役类的肺后部已有类似的膨大气囊出现。
哺乳动物的呼吸道及肺发育更完善，不仅有广阔的气体交换面积，还有精细的通气活动结构，使其更能适应空气呼吸。
4-2 哺乳类的肺通气器官结构
外界环境与肺之间的气体交换称为肺通气(pulmonary ventilation)。实现肺通气的器官包括呼吸道、肺泡和胸廓等。呼吸道是气体进出的通道，简称气道。呼吸道黏膜富含黏液细胞和杯状细胞，能分泌黏液，粘膜上还有许多纤毛和丰富的毛细血管网。因此对吸入的气体具有加温、湿润、过滤、清洁作用，起到防御保护的功能。哺乳动物的气管由许多不完全的环状软骨、平滑肌及弹性纤维组成，不完全的环形软骨架可保证管腔的通畅，其舒缩时可以改变呼吸道的口径，是影响气流阻力和流量的重要部位。
肺泡是气体交换的主要场所。肺泡上皮中绝大部分是I型细胞又称扁平上皮细胞。尚有少量的II型细胞(又称分泌上皮细胞)能合成和分泌磷脂类表面活性物质，覆盖在肺泡内液体表面。肺泡与肺毛细血管血液之间的结构，称呼吸膜(respiratory membrane)。由6层结构组成:表面活性物质的液体层、肺泡上皮细胞层、肺泡上皮基膜、肺泡与毛细血管之间的间隙、毛细血管基膜层和毛细血管内皮细胞层。呼吸膜不仅利于气体交换，而且对肺通气有着重要意义。
4-3 常见动物的平静呼吸频率
第5章 消化与吸收
5-1 动物消化器官系统的进化
在动物进化过程中，消化系统经历了不同的发展阶段。原生动物具有光合营养、渗透性营养和吞噬营养三种消化与营养方式。腔肠动物兼有细胞内和细胞外两种消化形式。脊椎动物的消化系统高度分化，形成了消化管和消化腺两大部分。鱼类的食管很短。动物在进化过程中随着咽变短和胃下降到腹部，食管变长。鸟类的食管有一个膨大的部分称为嗉囊，其功能是暂时储存和软化食物;鸟类的胃分为两部分，前面的称腺胃，分泌消化液;后面的称肌胃，借助于肌肉的运动和吞食的砂粒磨碎食物，帮助消化液更好地发挥作用;鸟类的肠较短，直肠极短，不储存粪便，是对飞行活动的适应。反刍动物的胃很大，常分成几个部分而构成复胃，其中瘤胃生活着大量的细菌、真菌和纤毛虫，对纤维素的消化起着重要作用。草食动物的小肠和大肠交界处出现发达的盲肠，具有与复胃类似的功能。
5-2 肠内在神经系统中主要的神经递质及其作用
应用免疫细胞化学技术证实，小肠平滑肌的肌间神经丛中主要有两类神经元:一类神经元含血管活性肠肽(vasoactive intestinal polypeptide，VIP)、腺苷酸环化酶激活肽、一氧化氮合酶(NOS)等，它们可以是中间神经元或抑制性运动神经元;另一类神经元含ACh、速激肽、P物质等，它们可以是中间神经元或兴奋性运动神经元。这些神经元通过它们的末梢释放递质调节小肠平滑肌的活动。
肠内在神经系统中主要的神经递质及其作用递质作用
乙酰胆碱(ACh):是支配平滑肌、肠上皮细胞、壁细胞、一些肠道内分泌细胞和神经突触的主要的兴奋性递质
腺苷三磷酸(ATP):可能参与肠内抑制性肌运动神经元的信息传递
γ–氨基丁酸(GABA):因动物种类不同，存在于不同的神经元群中
降钙素基因相关肽(CGRP):存在于一些分泌调节性神经元和中间神经元中，作用不详 缩胆囊素(CCK):存在于一些分泌调节性神经元和中间神经元中，参与兴奋性信息传递与肌肉兴奋的调节 脑啡肽和脑啡肽基因相关肽:存在于分泌调节性神经元、中间神经元和肌肉运动神经元中 神经肽Y(NPY):存在于分泌调节性神经元，可能抑制水和电解质的分泌;也存在于中间神经元和某些抑制性肌肉运动神经元中
一氧化氮(NO):是抑制性肌肉运动神经元中的共存递质，也可能是神经元突触传递的递质 去甲肾上腺素(NE) 肠内去甲肾上腺素能的神经纤维源于交感神经，主要作用是抑制非扩张肌部位的运动，收缩括约肌，抑制分泌运动反射，收缩肠内微动脉
第6章 能量代谢及体温
6-1 3种营养物质的物理热价和生物热价
6-2 能量代谢测定的方法和原理
单位时间内人或动物的全部能量消耗叫做能量代谢率(energy metabolic rate)。能量代谢率通常以单位时间内每平方米表面积的产热量为单位，即以kJ/(m2?h) 来表示。测定整个机体在一定时间内产生的总热
量通常有两类方法:直接测热法和间接测热法。
(1)直接测热法(direct calorimetry)
直接测定整个机体在一定时间内产生的总热量。此总热量就是能量代谢率，即单位时间内所消耗的能量。如果在测定时间内作一定的外功，应将外功(机械功)折算为热量一并计入。这种测定方法是将动物置于一个专门设计的测热室中，室内温度恒定，并有一定量的空气通过，动物产生和散发的热量用套在测热室外的水室吸收，或用装在室内的充满水的管道系统来吸收，然后根据一定时间内水温的变化、所用的水量，以及通过的空气温度的变化，计算出动物的产热量。
直接测热法常用于鸟类和高代谢率的小动物的能量代谢测定。对于大动物和代谢率低的小动物及鱼类等，因其设备复杂、操作繁琐、使用不便等因素，目前很少应用。
(2)间接测热法(indirect calorimetry)又称气体代谢测定法
在一般化学反应中，反应物与产物的量之间呈一定的比例关系，即所谓的定比定律。同一种化学反应，不论经过什么样的中间步骤，也不论反应条件差异多大，这种定比关系都不会发生变化。机体内营养物质的氧化供能反应也遵循这个定律，所以，根据机体在一定时间内消耗的氧量、排出的二氧化碳量和氮量，就可计算出该时间内整个机体所释放的热量及被氧化的营养物质的量。间接测热法的基本原理就是利用这种定比关系计算出单位时间内整个机体所释放的热量及营养物质被氧化的量。反之，若测定出一定时间内机体中氧化分解的糖、脂肪和蛋白质的量，则可计算出该段时间内整个机体所释放出来的热量。
在静息、禁食的条件下，动物体内的热量来自消耗体内储存的营养物质:糖、脂肪、蛋白质。它们在体内氧化产生CO2和水;蛋白质还产生含氮废物，测定这3种氧化产物的量，就可以推算出消耗的
物质和产生的热量。由于很难确定这3种代谢混合物氧化所产生的水量，而耗氧量容易测定，所以一般只需测定耗氧量、CO2量与尿氮量即可。尿氮几乎包含了蛋白质氧化所产生的全部含氮废物。每克蛋白质大约含氮16%，即0.16 g，因此每1 g尿氮相当于6.25 g蛋白质。则设一定时间内蛋白质消耗量为:P =尿氮量?6.25 已知体内每克蛋白质氧化时消耗O2 0.97 L，产生CO2 0.78 L，则P(g)蛋白质氧化时的耗O2量为P?0.97 L，CO2产量为P?0.78 L。测出一定时间内的动物体总的耗氧量与产生二氧化碳总量，则其中:非蛋白质耗O2量=总耗O2量–0.97 P 非蛋白质CO2产量= CO2总量–0.78 P 由非蛋白质的CO2产量与非蛋白质的耗O2 量计算出非蛋白质呼吸商。如果这一时间内除蛋白质外，代谢过程全部消耗都是脂肪，则非蛋白质的呼吸商为0.70;若全部为糖氧化则非蛋白质的呼吸商为1.00。由表6–2即可求得这一时间内糖和脂肪的氧化比例;再计算非蛋白质耗量中糖代谢所耗O2的体积和脂肪代谢所消耗的O2的体积。用O2的体积(L)乘以糖(或脂肪)热价， 就可以算出糖(或脂肪)在体内氧化产生的热量。所得的糖和脂肪的产热量加上蛋白质氧化产生的热量，就是在这一时间内由呼吸代谢产生的耗O2量、CO2产量和尿氮量而间接推算出的总产热量。
6-3 不同动物代谢率的表示方法
(1)许多试验证明，能量代谢率的高低与体重并不成比例关系，但与体表面积基本上成正比。若是以每千克体重的产热量进行比较，则小动物的每千克体重的产热量要比大动物高得多(表6–3)。 (2)在潜水动物中潜水的时间差别甚大，如抹香鲸可潜入水下70,80 min，而鼩鼱却只有0.5 min。一般说来，潜水动物越大，则潜水时间越长。这也是由于小动物每克体重的耗氧量比大动物高的原因。
若以每平方米体表面积的产热量进行比较，则不论体积的大小，各种动物每平方米体表面积每24 h的产热量很接近(表6–4)。鉴于体表面积与身高、体重之间有一定的相关关系，因此推算体表面积多是经验公式。最基本的是Meeh公式: S,KW2/3 上式中S为体表面积(m2)，W为身体质量(kg)，K为常数，不同动物的K值有所不同，如鼠为0.09l，猫为0.099，兔为0.125，狗为0.107。若测定出体表面积，用每小时的产热量除以体表面积，即可得出每小时单位体表面积的产热量(kJ?2m??h–1)，即基础代谢率。 (3)也有人观察到某些动物的代谢率不符合体表面积定律，又提出用代谢身体质量来计算静止代谢率。所谓代谢身体质量就是身体质量的0.75次方(牦牛为0.53次方)，代谢率是代谢身体质量的(幂)函数，用公式表示为:Q,KW0.75 上式中Q代表静止代谢率，单位是kJ?kg–1?24 h–1;W为身体质量，单位是kg;指数用0.75是为了便于计算;K为常数，因动物而异，如兔为64.7，绵羊为72.4，猪为68.1;奶牛
为117。
同种鱼类的代谢水平随着水温升高而升高(图6–1)。水温每升高10?，标准代谢水平增加2.3倍，标准代谢水平与温度的这种相关性一直持续到致死温度。鱼的标准代谢水平因种类不同而有所变化。鱼类有各自的适温范围，经测定，34种温带鱼的平均标准代谢水平为(89?34) mg O2/(kg?h)。热带鱼因生活水域的水温高，标准代水平比温带鱼高70%左右;南、北两极的鱼类的代谢水平很低，如南极冰鱼(Pagetopsis macropterus)的标准代谢水平为17,31 mgO2/(kg?h)。
同种鱼类的标准代谢水平因鱼体大小而异，单位身体质量的耗氧率随着身体质量的增加而减少，小鱼的标准代谢水平比大鱼旺盛，代谢水平(Q)与身体质量(W)的关系为Q,αWb，α是与鱼种类有关的常数，b为身体质量指数，鱼的b值多数大于0.67，角鲨为0.74，鲽类为0.84,0.90。Winberg(1954)指出，266种淡水鱼的平均身体质量指数为0.81。
在相同水温条件下，鱼类代谢水平随游泳速度的增加而增加(图6–2)。游泳速度为0时的代谢水平为标准代谢水平，水温15?时大麻哈鱼的游泳速度每秒达4.1倍体长，代谢水平为895 mgO2/(kg? h) ;如果瞬时游泳速度每秒达10倍体长，代谢水平率为3 600 mgO2/(kg? h)。然而代谢水平不可能随着活动而无限增大，最大耗氧量还受呼吸面积的限制，如果过分剧烈运动，则会产生氧债。
活动代谢水平与温度的关系因鱼的种类而异(图6–1)，大头鲶(Ictalurus nebulosus)的活动代谢水平随着温度升高而增大，一直持续到致死温度。红大麻哈鱼和金鱼的活动代谢水平仅仅在一定温度范围内呈正相关，如温度超过上限，代谢水平反而下降。这个温度范围由鱼类的生物学特性所决定，如鲑科鱼类适应于低温生活，在2,18?之间代谢正常，超过这个最适温度，活动代谢水平将随温度升高而下降。
对于鱼类，溶氧对鱼类的代谢影响显著，二者的关系因鱼的种类而异(图6–3)。鱼(Opsanus tau)、尖口鲷(Stenotomus chrysops)与河豚(Fugirubripes)的代谢水平也随着溶氧浓度的下降而下降，但在氧分压低于2 kPa(15 mmHg) 时就不能生活了。氧浓度低时影响显著，高时影响较小。金鱼是另一种类型(图6–4)，溶氧浓度高时，代谢水平与氧浓度无关;溶氧浓度较低时，代谢水平随氧浓度下降而下降，呈直线关系。代谢水平与氧浓度从无关转为有关的转折点是种的属性，且因环境温度而不同，温度高时在较高的氧浓度时转折，温度低时，转折点发生在较低的氧浓度时。
6-5 家畜的生产代谢
动物生产的各种产品(肉、脂肪、乳、毛和蛋)以及肌肉作功和驮运等，都是新陈代谢的结果。为了有效地控制动物体内的新陈代谢过程，提高动物的生产性能，必须了解动物在各种不同的生产活动情况下的新陈代谢特点。
(1)肥育期的代谢
家畜和家禽的肥育主要是使它们体内的脂肪加速积累。畜禽在肥育期从饲料获得的能量，必须大于维持生命所需要的能量，以便畜禽能将多余的营养物质在体内转化成脂肪而储存起来。在一定限度内，供给肥育畜禽的热量越多，所产生的体脂也越多。
饲料中的脂肪可以作为体脂的直接来源。在肥育期间，饲料中淀粉所含能量的57%可转化为脂肪，这时动物的呼吸商常常大于1.00;饲料中的蛋白质虽然也可以转化成体脂，但所含的能量只有39%左右转化到脂肪中去。而且蛋白质饲料在价格上比其他饲料贵，因此用蛋白质作为体脂的来源，不仅在体内的转化过程需要消耗较多的能量，而且在经济核算上也不适宜。
(2)产乳期的代谢
动物在产乳期每天要分泌大量的乳汁。乳汁中含有丰富的营养物质(如全价蛋白质、乳糖、乳脂、无机盐等)。所以乳畜或授乳期母畜的饲料不但应含有足够的能量，而且还要含有足够的各种营养物质。每产l kg乳，大约需要2.845 kJ的能量，并需附加40,60 g蛋白质。由于有机物质的消耗和乳的生成，产乳期动物的代谢水平升高。通常产乳力越高，代谢水平也越高。
(3)肌肉活动时的代谢与运输价
肌肉活动时，代谢水平升高的程度决定于肌肉所作功的大小。
陆生动物的运动主要是行走和奔跑。动物的奔跑速度和耗氧量基本呈线性相关。大型动物在奔跑时，
每单位身体质量耗氧量的增加低于小型动物，即动物越小，随着运动速度的增加，耗氧量增加得越快。鸟飞行的耗氧量和飞行速度之间，并不呈线性相关。
鸟有一个最适飞行速度，该状态下鸟的耗氧量最低，飞行速度无论是增加还是下降都会使耗氧量增加，这一最适速度为30 km/h。当鸟向更快飞行时，耗氧量增加，向更慢飞行时耗氧量减少。
生活在水中的生物，包括鱼类和哺乳动物都具有适应于水中生存的体型结构，使其在水中消耗的能量低于陆生动物和鸟类。有两个因素使水生动物的耗氧量降低:一是鱼类在水中游泳速度总的来说不是太快，加上其流线形体型，可减少能量消耗。二是鱼在水中处于近中性的浮力，身体的质量完全被水所支撑，不会下沉。
各种不同方式运动时有氧代谢水平的大小，通常用计算出来的运输价加以比较。运输价(cost of transport)是指单位身体质量的动物移动单位距离时所需要的能量值，由单位身体质量的耗氧量除以活动的速度而获得。即运输价减去静止时的代谢率称纯运输价。在某些活动时耗氧量与运动速度不呈直线关系的动物(如鱼类和飞行的鸟类)中纯运输价的大小与速度有关，而在陆地行走的动物中则与速度无关。无论哪种动物，运输价的大小都与身体质量有关。大动物移动单位身体质量所消耗的能量比小动物少得多。如果比较同一活动类群中各种动物的运输价，则运输价随动物身体质量的增加而减小(表6–5)。比较恒温动物和变温动物的运输价可以知道，恒温动物比同样速度的变温动物要消耗更多的能量。 6-6 变温、异温和恒温动物
地球上的气温可在 –70,60?之间的范围内变化。按照调节体温的能力可将动物分为变温动物(poikilothermic animal)、异温动物(heterothermic animal)和恒温动物(homeothermic animal)三类。变温动物又称冷血动物(cold–blooded animal)，系指在一个狭小的温度范围内体温随环境温度的改变而改变的一类动物。当环境温度过高时它就换个阴凉的地方，当气温过低时就到日光下取暖或钻入洞穴内进入冬眠状态，这种通过动物的行为来调节体温的方式称为行为性体温调节(behavioral thermoregulation)。
恒温动物又称为温血动物，能在较大的气温变化范围内保持相对恒定的体温(35,42?)。恒温动物主要是通过调节体内生理过程来维持相对稳定的体温，这种调节方式称为生理性体温调节，又称自主性体温调节(automatic thermoregulation)。
恒温动物是进化的产物，在动物界中只有哺乳动物和鸟类是恒温动物，其余的绝大多数是变温动物。在变温动物与恒温动物之间还有一类为数很少的异温动物，包括很少几种鸟类和一些低等哺乳动物。它们的体温调节机制介于变温动物与恒温动物之间，例如，冬眠动物在非冬眠季节能维持相当恒定的体温，在冬眠季节进入冬眠状态，体温维持在高于环境温度约2?，并随环境温度的变化而变化。异温动物的冬眠与变温动物的冬眠有本质的区别。
变温动物的体温随着环境温度的升高而升高，随着环境温度的下降而下降，变温动物的代谢率也随着环境温度的升高而升高，如同化学反应一样。但恒温动物的代谢率却随着温度的升高而降低，随着环境温度的降低而上升。这种控制产热量的能力是恒温动物和变温动物的主要区别。
6-8 动物体温的生理波动及诺贝尔奖
在生理情况下，动物的体温可在一定范围内变动，称为体温的生理波动，其受到昼夜、年龄、性别、肌肉活动、机体代谢等因素的影响。
(1)体温的昼夜波动
白天活动的动物，其体温在清晨时最低，午后最高，一天内温差可达1?左右。如牛的直肠温度下午比清晨约高0.5?，放牧绵羊昼夜体温波动约为1?，驴可达2?。体温的这种昼夜周期波动称为昼夜节律(circadian rhythm)或近日周期。实验表明，体温的昼夜节律与肌肉活动状态以及代谢率没有直接因果关系，而是由内在的生物节律(biorhythm)所决定的。例如，将受试动物置于除去时间、光线、声音等外在因素影响下的特定环境中，体温仍呈现昼夜节律波动。这种内在的生物节律的周期要比地球的自转周期(24 h)长些，但在上述外界因素的作用下就和地球的自转周期相吻合了。
实验研究还表明，除了体温外，还有许多生理现象(如细胞中酶的活性、激素的分泌、动物的行为)具有生物节律。通常认为生物节律现象是由体内存在的生物钟(biological clock)来控制的。动物实验提示，
下丘脑的视交叉上核(suprachiasmatic nucleus)很可能是生物节律的控制中心。
(2)年龄
体温与年龄有关。新生动物代谢旺盛，体温比成年动物高。动物在出生后的一段时间内因其体温调节机制尚不完善，体温调节的能力弱，体温易受外界温度变化的影响而发生波动。因此，对新生动物要加强体温护理等工作。老龄动物因基础代谢率低，循环功能虚弱，其体温略低于正常成年动物。 (3)性别
雌性动物体温高于雄性。雌性动物发情时体温升高，排卵时体温下降。有实验表明，兔静脉注射孕酮后，其体温上升。因此，雌性动物的体温随性周期变动的现象可能与性激素的周期性分泌有关，其中孕激素或其代谢产物可能是导致体温上升的因素。
(4)肌肉活动
肌肉活动时代谢增强，产热量明显增加，导致体温上升。例如马在奔驰时，体温可升高到40,41?，肌肉活动停止后逐步恢复到正常水平。此外，地理气候、精神紧张、采食和环境温度变化、麻醉等因素也可对体温产生影响。在测定体温时，对以上因素应予以注意。
英国人希尔和他的导师弗莱彻和霍普金斯发现肌肉收缩时产生大量乳酸，但是要更精确地说明这一现象必须测出肌肉活动过程中极其微小的能量变化。1911年希尔设想将微量的温度变化转化为温差电流的变化，然后用测量温差电流的变化推知肌肉活动的温度变化。这个假想经过他反复探讨和改进终于得以实现，这就是用100个热电偶组成的温度电池，每对热电偶在温差为1?时可产生52 μV的电压，从而测出千分之几度的温差。并利用这种测热计发现肌肉在收缩时初期几乎不需氧，即“无氧反应”;而在恢复期却需要氧气的参与，即“有氧反应”。这一发现使希尔获得1922年诺贝尔奖。
6-9 各种家畜的等热范围
6-10 关于产热中枢
曾经认为寒战中枢被视前区-下丘脑前部(preoptic anterior hypothalamus，PO/AH)的温敏神经元(warm sensitive neuron)发来的冲动所抑制，当PO/AH血温下降时，解除这种抑制作用，于是通过传出通路产生寒战，但对此解释迄今尚未有定论。当皮肤或黏膜冷感受器受到冷刺激时，通过传入纤维兴奋寒战中枢，传导通路到红核，由此再经脑干下行到脊髓侧索，在脊髓内的传导通路可能是红核脊髓束或网状脊髓束，最后终止于脊髓前角运动神经元，由此发生冲动引起肌肉紧张性增加或节律性寒战，这种节律性收缩可能与不同前角的α、γ运动神经元与肌肉的牵张感受器构成的传入通路有关。
6-11 体温调节的单胺学说
在哺乳类动物的下丘脑与体温调节有关的神经末梢中，含有丰富的单胺类物质。20世纪60年代初，在狗、猫、猴的实验中证明，5–羟色胺灌注动物的脑室或微量注入于下丘脑，动物的体温上升，同时伴有血管收缩反应和战栗;而去甲肾上腺素则使动物的体温降低0.5~2?，同时伴有外周血管的舒张。根据这类实验，提出了体温调节的单胺学说，此学说认为，这两种递质5–羟色胺和去甲肾上腺素在量上的动态平衡，可保持体温的恒定。但目前认为，这两种递质对体温调节中枢的活动只能起到调整的作用，而对体温的恒定无决定性作用。
此外，发现许多神经递质和多肽类，对体温的相对稳定有一定影响，其中，具有升高体温作用的有:促甲状腺素释放素、甲硫–脑啡肽、生长抑素、催产素、血管活性肠肽、P物质等;具有降低体温作用的有:铃蟾肽、神经降压肽、缩胆囊素、β–内啡肽、促肾上腺皮质激素等。它们对体温影响的机制，尚待进一步研究。
6-12 恒温动物对环境温度的适应性
作为恒温的哺乳动物，体内有一套完善的体温调节系统，但在刚出生后的一段时间内，调节体温的能力不完善，类似于变温动物的体温调节。哺乳动物的体温调节主要通过自主性体温调节和行为性体温调节机制来完善的。哺乳动物对寒冷环境的适应能力强于对高温的适应能力。恒温动物对高温、低温环境的生理性适应可分为以下几类。
(1)动物的耐热性和抗寒性
动物对环境温度的适应能力，受品种、营养状态、对温度适应的锻炼等因素的影响。例如，寒带地区生长的动物品种，对低温有较强的适应性，而对高温则难以适应。反之，热带地区生长的动物，能适应高温，而对低温适应能力差。在动物生产中，冬季应加强饲养管理，增加精料，用以提高动物对低温环境的抵抗力。加强寒冷适应的锻炼，也可增强动物的耐寒能力，如使动物(特别是幼畜)适应一定温度的冷环境后，再移到更冷的环境中生活，如此逐渐地锻炼，就可提高动物的体温调节能力，有效地增强机体对寒冷的适应能力。通过上述方法，同样也可锻炼动物适应酷热的能力，使它们在热环境中保持健康和高产。 (2)习服
动物短期(通常2,3周)生存在极端温度环境中，所发生的生理性调节反应称为习服。例如，在寒冷环境中寒战常常是增加产热和维持体温的主要方式。冷习服的主要变化是，由寒战转变为非寒战性产热，即肾上腺素、去甲肾上腺素和甲状腺素分泌增强，糖代谢率提高，褐色脂肪储存增多。动物经冷习服后，可以延长在严寒中的存活时间，但冷习服动物的代谢率可持续增强，而启动产热调节的临界温度并不明显降低。
(3)风土驯化
随着季节性变化，机体的生理性调节逐渐发生改变，称为风土驯化。例如，由夏季经秋季到冬季气温逐渐下降，动物在这种条件下常出现冷驯化。要像冷习服那样长期依靠增加产热量来维持体温，需要消耗大量能源储备，对动物来说是极为不利的。冷驯化动物主要通过增厚身体的隔热层减少散热来维持体温。这时，动物的羽毛和皮下脂肪层都发生明显的增厚，汗腺萎缩退化，表皮增厚。血管运动也发生相应的变化，借以加强体热的储存。冷驯化的特点是动物的代谢水平并没有增高，有的甚至降低，主要是提高和调整了机体保温能力，同时使启动产热调节的临界温度显著降低。
(4)气候适应
经过几代自然选择或人工选择，动物遗传性发生变化。气候适应并不改变动物的体温。寒带和热带动物都有大致相等的直肠温度。寒带动物体温调节的特点是，皮肤具有最有效的绝热层，皮肤深部血管有良好的逆流热交换能力，不到极冷，代谢不升高，临界温度显著降低，如北极狐的临界温度可低至 –30?。 在热环境中动物也可发生气候适应，体温升高，甚至超过环境温度，如骆驼一昼夜间直肠温度可由34? 升至40?，这并不是无力调节体温，而是靠减少水分蒸发以保存体液的一种适应方式。 6-13 发热是怎么回事
数百年来人们只认识到发热是炎症的一个体征，但近几十年来科学家才开始了解发热的发病机制和对机体的影响。实质上，发热是机体受到致热物质(即致热原)的刺激，引起产热和散热过程的调节障碍，散热绝对或相对地减少，以致体温升高。与此同时，机体的代谢和各个系统的功能也都发生相应的变化。
正常机体是靠完善的生理机制维持体温的相对恒定，体温的“调定点”在37? 左右，这与视前区–下丘脑前部恒温中枢的活动有直接关系。当中枢温度超过37.1? 时，散热过程增强，产热过程受到抑制，体温降到正常。当中枢温度降到37? 以下时，产热立即增加，并出现寒战，同时散热过程受到抑制，汗腺分泌停止，使体温回升至正常。
近年来认为，发热是由于各种外源性致热原(如病毒、细菌、内毒素、抗原–抗体复合物等)进入机体后，被巨噬细胞吞噬，并激活巨噬细胞产生和分泌内生性热原。产生内生性热原的细胞包括血液和渗出液内的粒细胞、单核细胞以及来自肺和肝的巨噬细胞。人类嗜伊红细胞虽能释放内生性热原，但比起粒细胞要少得多。最近研究又证实，某些人体肿瘤组织(如急性白血病、人类组织细胞淋巴瘤)不需要额外刺激即能自发地产生内生性致热原。后者进入血流，通过血–脑屏障入脑，作用于下丘脑体温调节中枢，此时下丘脑产生一种花生四烯酸的代谢物，引起前列腺素和cAMP生成增多，使局部神经元的冲动发放发生变化，热敏神经元的发放冲动受到抑制，而冷敏神经元的冲动发放频率增加，这些冲动发放的变化又作为信息，通过下丘脑后部整合处理后，传递至血管运动中枢，沿交感神经纤维使外周血管收缩和散热减少，传递至寒战中枢，使之兴奋，寒战发抖，物质代谢增强，产热增多，这时体温上升，形成发热。内生性致热原还可直接作用于恒温中枢而改变体温调定点。
6-14 动物的休眠
动物的休眠(dormancy)是动物在不良条件下维持生存的一种独特的生理适应性反应。休眠有非季节性休眠(日常休眠)和季节性休眠。日常休眠是指动物在一天的某段时间内不活动，呈现低体温的休眠。季节性休眠持续时间较长，且有季节性限制，它又分为冬眠(hibernation)和夏眠(estivation)。在温带和高纬度地区，随着冬季的到来，无脊椎动物，某些鱼类、两栖类、爬行类、若干种鸟类和哺乳动物都要进入冬眠状态。在热带地区有一些动物则相反，它们没有冬眠，而是进入夏眠。
在休眠状态下，动物机体内的一切生理活动都要降至最低限度，由于不能摄食，休眠过程中的生命维持主要依靠休眠前体内储存的营养物质。休眠动物最明显的生理变化是体温降低，基础代谢不平降低，呼吸频率和心率减慢。这样，休眠动物可以保存能量，以渡过困难时期，经过一定时间后或在适宜的条件下再苏醒过来。
(1)冬眠
无脊椎动物和脊椎动物中的某些种类在寒冷的季节有休眠现象。在温带和高纬度地区，随着冬季的到来，许多小型哺乳动物就进入洞内，开始冬眠。冬眠的特征是，动物较长期昏睡，体温降到同环境温度相近的水平，呼吸速率和心率极度减慢，代谢水平(耗氧量)降到最低限度。冬眠期间，各种组织对低温和缺氧具有极强的适应能力，不会因低温和缺氧而造成损伤。当环境温度适宜时，又可自动苏醒，称为出眠。苏醒时，冬眠动物的产热活动和散热活动同时迅速恢复，心搏加速，呼吸频率增加，接着肌肉阵发性收缩。一部分苏醒的热量来自肌肉收缩，也有一部分来自褐色脂肪组织的氧化，通过褐色脂肪组织的血管把热量迅速送进活命组织，如神经组织(包括脑和内脏神经节)、心脏，使其升温最快。当神经和血液的温度升到正常水平，身体其他部分也开始升温，直至恢复到体核温度。由此可见，冬眠主要是下丘脑调定点变化的结果。苏醒是一个高度协调的过程，神经系统起到主要作用，内分泌系统在准备冬眠和冬眠中也起到一定的作用。
在寒冷的季节，陆生的无脊椎动物，如软体动物、甲壳动物、蜘蛛和昆虫等以及变温的脊椎动物都进入一种麻痹(休眠)状态，这种状态也称冬眠。但是这些变温动物一般没有调节体温的能力。变温动物与恒温动物的冬眠机制不同，但其生物学意义则是相同的，即以降低消耗来渡过困难的冬天。许多水生无脊椎动物，在寒冷的冬天也藏到池塘、湖泊和河底的淤泥中进行休眠。
脊椎动物中的鱼类、两栖类、爬行类在寒冷的冬天都有冬眠。鸟类中的蜂鸟，哺乳动物中的刺猬、蝙蝠和许多啮齿动物(如山鼠、跳鼠、仓鼠、黄鼠、旱獭)、黑熊也要进行冬眠。此外，在某些较大型的肉食性哺乳动物中，如熊、獾、猩等也有类似冬眠的状态。但这些动物的冬眠程度较浅，不能进行持续性的深眠，因此有人又将此称为假冬眠。如棕熊在冬眠期其体温变化并不随环境温度的下降而下降，甚至孕熊可在冬眠期内产仔。总之，哺乳动物的冬眠总是从睡眠开始的，冬眠与睡眠有许多相似之处，但冬眠和睡眠是两种不同的生理现象。
(2)抗冻蛋白和抗冻糖蛋白
鱼类的抗冻蛋白(antifreeze protein，AFP)的发现起自于研究某些海水硬骨鱼类为什么能在结冰的海水中生活。许多鱼类可通过增加体内的电解质提高血液的渗透压，而使其冰点下降，如鳕鱼(Gadus)和杜父鱼(Myoxcephalus)，夏季的Cl– 浓度是200 mmol/L，冰点为–0.79?;到了冬季，Cl–浓度提高到234,243 mmol/L，冰点降低为 –1.25,–0.94?。但是，电解质含量的增加仍不足以使鱼的体液与血液的冰点下降至同海水的冰点(–1.9,–1.7?)。在对北极和南极鱼类的研究中发现，当水温降低时(–1.9,–1.7?)，血液中的蛋白质和糖蛋白含量增加，它们是热稳定而能溶于三氯乙酸的大分子，其降低冰点的效应比NaCl大两个数量级。另外，它们降低冰的熔点的作用很微小，即使在鱼的血液中的浓度很高时(达10,30 mg/mL)也是如此。冰点和熔点之间的间隔称为热滞现象(thermal hysteresis)，在抗冻蛋白质和糖蛋白处于高浓度时，该间隔通常也只差1?，这时冰结晶保持悬浮状态，既不增大，也不融化而浮于水面。生活在水深层的鱼类由于体内和水中没有“冰晶”而不结冰，所以能生存下来。
目前在鱼类中已确认两类抗冻物质。第一类是抗冻糖蛋白(antifreeze glycoprotein，AFGP)，相对分子质量在2 700,3 200之间，由重复的丙氨酰丙氨酰苏氨酸(alanylalanyl threonine)单位组成，并由一个双糖将苏氨酸连接起来;这是几种南极硬骨鱼类和北极鳕(Breogadus saida)所特有的;它能有效地降低冰点，
如南极的Trematoamus鱼抗冻糖蛋白的作用可比浓度相同的最理想的溶质要大200,300倍。另一类是抗冻多肽/蛋白质(AFP)，相对分子质量为10 000,11 000，它们和AFGP一样含有大量的丙氨酸，但没有双糖;它们受光周期引起的年季节性节律的影响，在冬季大量出现在血液中;到春季它们又从血液中消失，这些是由环境温度的变化通过脑垂体进行调节的。
AFGP和AFP降低鱼体冰点和防止冰形成的机制尚不十分清楚。据推测，它们中的羟基，因其具有极性的特点可与冰晶结合，其肽链可将冰晶包围，防止冰晶继续扩大。所以在抗冻蛋白作用下，冰晶形成很慢，仅成针状。此外，抗冻蛋白还能保护细胞蛋白质(酶类)使其在低温下仍具有活性。具有抗冻蛋白的鱼类，肾常没有肾小球，主要通过分泌作用排出等渗的尿，尿中亦含有抗冻蛋白以防止尿液在集合管和膀胱中结冰。在南极的企鹅的血液中和北方黑熊在冬眠时的血液中先后都发现有抗冻蛋白。
新近对美洲拟鲽的研究发现，抗冻蛋白(AFP)是在肝中合成，然后释放到血液中，经蛋白酶的作用，进一步加工而成。抗冻蛋白(AFP)的基因转录受光周期的影响。夏季日光照长，刺激下丘脑和脑垂体分泌GH增加，GH可抑制AFP的基因转录。而在秋季，日照减短，GH分泌也减少，对AFP基因转录的抑制因素的消失，使肝合成AFP的mRNA含量增加;另外，温度也能影响AFP的DNA转录水平，低温时，AFP的mRNA的降解速率下降，所以秋季AFP的mRNA的含量及其转移RNA(tRNA)含量增加，使AFP合成酶的活性增加，促进AFP mRNA的转录，血液中AFP含量明显升高。温度也可影响到AFP生物合成中的许多过程和蛋白酶对它的降解作用。
(3)夏眠(蛰伏)
夏眠主要指动物在高温和干旱时期的休眠现象。夏眠动物种类较少，大多数是生活在热带和赤道地区的动物。夏眠和冬眠动物的特征基本相似，首先是体温降低，直到与气温相近。在进入休眠之前，其体内也积累了一些营养物质，特别是积累了一些脂肪。另外，动物失水可能也是引起夏眠的主要原因。在这种条件下，动物明显地出现“渴”的现象。例如，肺鱼在干旱条件下可引起夏眠。
第7章 排泄与渗透压调节
7-1 动物的排泄器官
几乎所有动物都有排泄器官。排泄器官大体上可分为排泄上皮和有管排泄器官两种类型。前者包括:昆虫的肛门突，海水虾的盐泵，海水鱼类的盐细胞、直肠腺，某些爬行类和海鸟的盐腺，消化管的上皮等。后者包括:无脊椎动物的的肾管，甲壳类的触角腺，昆虫的马氏小管和脊椎动物的肾单位。
各种脊椎动物肾的类型虽不完全相同，来源也不一样，但其结构都是由肾单位组成，肾单位是肾的功能单位。集合管在胚胎发生中不属于肾单位，但尿的形成却需要肾单位和集合管共同完成。不同脊椎动物肾的肾单位数目不等，可从几百个到几千个，哺乳动物的每侧肾可达上百万个肾单位。典型(哺乳动物)的肾单位包括肾小体和肾小管。
鱼类的肾单位的组成与哺乳动物的相类似，但有些海洋真骨鱼类的肾小球消失，肾小管缩短，在肾小囊与肾小管衔接处有一个纤毛化的颈区。两栖类具有两种类型的肾单位，靠近腹侧的肾单位和鱼类一样具有肾小球和肾小管，而靠近背侧的肾单位仅有肾小球。
肾的传入神经纤维末梢是无特殊分化的游离末梢，所以很难从形态学上与传出神经纤维末梢相区分。肾的传入神经可能感受机械性(如肾盂内的压力)和化学性(如肾组织缺氧)刺激，并将这些信息传到中枢神经系统。在动物实验中，刺激肾的传入神经能够诱发下丘脑外侧部和室旁核的神经元放电。刺激一侧肾的传入神经，可反射性地改变对侧或同侧肾交感神经的活动从而改变肾的功能，这种反射称为肾-肾反射(renorenal reflex)。
7-4 肾小管泌H+与HCO3–的重吸收
肾小管的泌H+作用总是与HCO3– 的重吸收相耦联。血液及小管液中的HCO3– 都是以Na+ 盐的形式存在。但小管液中的HCO3– 不易通过管腔膜，因此它必须先与H+结合成H2CO3，再解离为CO2和H2O。CO2是高脂溶性物质，可迅速通过管腔膜进入细胞内，所以近球小管对HCO3– 的吸收是以CO2的形式进行的。至于回到血液中的HCO3– 则是由进入细胞的CO2与H2O在碳酸酐酶(carbonic anhydrase，CA)的催化下再合成H2CO3，然后解离成HCO3– 和H+ 的结果。某些药物(如乙酰唑胺)可抑制碳酸
酐酶，减少H+ 的生成，影响到Na+– H+ 交换，NaHCO3的重吸收也减少。
7-5 肾小管与集合管上的水通道
肾小管和集合管上皮细胞的顶端膜和基底侧膜上都存在水孔蛋白(aquaporin，AQP)，形成了水通道(water channel)(见光盘资料1–3离子通道、水通道的研究发现及2003年度的诺贝尔化学奖)，可允许水分子快速通过细胞膜以跨细胞转运途径转运到细胞间隙(见第1章)。实验表明，近球小管中小管液的重吸收并不是等渗的，也就是说，溶质的重吸收稍多于水，因此小管液的渗透压比血浆渗透压低2,5 mOsm/kgH2O。这一渗透压有利于水通过细胞旁转运路径被重吸收，此过程还可以拖曳的方式带动一部分溶质(特别是Ca2， 和K，)转运到细胞间隙。
7-6 肾小管上皮内的葡萄糖与氨基酸转运体
Na+ 依赖性葡萄糖转运体(SGLT)有若干种，近球小管曲部上皮细胞的为SGLT2，能将1个葡萄糖分子和1个Na+ 同时转运;近球小管直部上皮细胞为SGLT1，可将1个葡萄糖分子和2个Na+ 同时转运。进入细胞的葡萄糖被基底侧膜的葡萄糖转运体2(glucose transporter 2，GLUT2)以易化扩散的方式转运出细胞进入细胞间隙。GLUT2是单一转运体，在转运葡萄糖时并不能转运其他物质。
氨基酸的转运系统也有多种(见第5章)，分别选择性转运中性、酸性和碱性氨基酸。进入细胞内的氨基酸经基底侧膜扩散入细胞间隙。
7-7 集合管中的一些闰细胞有时也能分泌HCO3,
集合管中的一些闰细胞能分泌HCO3,。这些细胞的顶端膜上有Cl,–HCO3, 逆向转运体，使小管液中的Cl, 进入细胞内，HCO3, 则分泌入管腔;而在基底膜上则存在质子泵。一般情况下，集合管以分泌H， 为主，小管液酸化在此发生，只有代谢性中毒时分泌HCO3, 才加强。
7-8 影响K+分泌的因素
虽然在远曲小管和集合管的上皮细胞基底侧膜上也有K+ 通道，但基底侧膜上的K+ 通道的通透性不及顶端膜上的K+ 通道，而且存在于顶端膜两侧的电化学梯度更有利于K+ 经过顶端膜上的K+ 通道进入小管液。因此，凡能影响Na+ 泵、顶端膜两侧K+ 的电化学梯度以及K+ 通道开放的因素，都能影响K+ 的分泌。如果主细胞内K+ 浓度升高或小管液的K+ 浓度降低都将有利于K+ 分泌，当远球小管的小管液流量增加，小管液K+ 浓度降低，故K+ 的排出量增加。阿米洛林可以抑制顶端膜的Na+ 通道，使小管液负电荷减少，从而减少Na+ 和Cl, 的重吸收，同时也减少K+ 的分泌，是一种保钾的利尿剂。 7-9 球-管反馈
通常我们都是以每分钟两个肾全部肾小球滤过的液体量(即肾小球滤过率，GFR)来衡量肾的功能，实际上我们也可以通过微穿刺的方法直接测定一个肾小球在1 min内生成的超滤液的量来衡量单个肾单位的功能，以该超滤液量表示单个肾单位肾小球的滤过率(single nephron glomerular filtration rate，SNGFR)。球-管反馈是肾小管-肾小球反馈(tubuloglomerular feedback，TGF)的简称，是指一个肾单位对其SNGFR进行的自身调节的机制。
当肾小管内液体的流量发生改变时，可以通过反馈机制调节同一个肾单位的SNGFR，其结果使流经肾小管液体的成分仅能在一个狭小范围内变动。如人为地使肾小管的微灌流量从0逐渐增加到40nL/min时，该肾单位的SNGFR会减少30,,40,(图7–6)。微灌流实验证明，TGF的感受部位是近球小体的致密斑，该肾单位的肾小球是TGF的效应部位。当一个肾单位的远球小管液的流量和成分改变时，其信息可被致密斑所感受，并传递到该肾单位的肾小球，引起入球小动脉阻力的改变，进而导致GFR的改变。
TGF的生理意义在于:当一个肾单位的小管液流量过高或所含的NaCl量过多时，此信息可反馈到该肾单位的肾小球，使GFR降低，小管液的流量和NaCl含量趋于恢复。TGF的机制可能与肾局部的肾素-血管紧张素系统有关，因为当肾小管液流量增加时，肾内的肾素和血管紧张素系统活动加强，血液中血管紧张素?增加，血管收缩，肾小球的血浆流量会减少„„
7-10 球-管平衡的产生
产生这一现象的原因主要与肾小管周毛细血管的血浆胶体渗透压的变化有关。蛋白质是不能被滤过的，因此出球小动脉和小管周围的毛细血管内有较高的血浆胶体渗透压，这有利于小管液内溶质和水的重吸收。
如果肾血流量不变，GFR却增加，小管周围的毛细血管中的胶体渗透压的升高会更加明显，则会进一步加强对近球小管内溶质和水的重吸收。球–管平衡的意义在于尿中的Na+ 和水的排出不会因GFR的变化而发生大的变化。上述的渗透性利尿是因为打破了正常的球-管平衡状态而引起的。
7-11 各种体液因素对肾功能的影响
7-12 ADH的升压作用和鱼类的ADH
仅在血压明显下降时，ADH的升压作用才显现出来，因此又叫做血管升压素(vasopressin， VP)。血管平滑肌、脑内室周器的一些部位上分布着血管升压素的V1受体，V1被激动后引起血管平滑肌收缩，血压升高(见第3章)。
在鱼类中，神经垂体末梢释放的抗利尿激素是精氨酸升压素，或称精氨酸催产素(arginine vasotocin，AVT)。AVT对于鱼类的渗透压调节和体液质量与容量的调节具有重要的作用，其调节机制基本与ADH一致。在鱼类中，AVT的受体不仅存在于肾小管上皮细胞上，在鱼鳃组织的上皮细胞上也存在，调控鳃部离子和水的转运活动。
7-13 有关ADH分泌的调定点问题
在ADH分泌调节的机制中，引起ADH释放的各种因素均有一个阈值和调定点(set point)问题(见绪论)。如当血浆渗透压下降到一定水平可引起ADH的释放，该血浆渗透压水平即是ADH 释放的阈值，也可以认为是血浆渗透压水平的一个调定点。在正常人，该调定点平均为280 mOsm/kgH2O。当血浆渗透压低于这个水平时ADH分泌释放停止。容量感受器、压力感受器对引起ADH释放的血量或血压变化的敏感性要比渗透压感受器对血浆渗透压变化的敏感性低，一般血容量或血压的降低要达
5,,10, 时才能刺激ADH的释放;而渗透压感受器仅需血浆晶体渗透压降低1%,2%就有强烈反应。如果血浆渗透压升高到295 mOsm/kgH2O时，不仅尿量减少，还会产生明显的渴觉，而且渴觉的程度会随着血浆渗透压的升高而升高，不会产生适应现象。这是由于在不同生理状况下，机体可以随时改变ADH释放的调定点。尽管容量感受器、压力感受器的敏感性较低，但当血容量或血压降低时，可以使引起ADH释放的血浆渗透压阈值(调定点)降低，即在较低的血浆渗透压水平时就可以激起ADH的释放。也就是说当机体血容量减少时，ADH释放增加，使水分被保留在体内，结果导致血浆渗透压的降低;在这种情况下机体可以接受较低的血浆渗透压刺激(即对血浆渗透压调定点进行了重新调整)释放ADH，促进血容量的恢复。通过这一机制使机体能始终保持对血浆渗透压变化的敏感性。
7-14 肾内的逆流倍增系统
? 髓襻降支和升支及其周围的直小血管的降支和升支相互平行、紧靠在一起，且里面的液体流动方向相反，是典型的逆流倍增器(countercurrent multiplier);? 髓襻降支和升支对水和溶质的通透性不同(见前述);? 髓襻升支粗段能主动将NaCl转运到组织间隙，形成髓质组织液的高渗透浓度;? 小管液是从近球小管流入，流经髓襻后再进入远球小管和集合管。
7-15 兔肾小管不同部分的通透性
7-16 综合案例分析1.动物体内的酸碱平衡
体液H+浓度的相对恒定是细胞进行正常代谢和功能活动的必要条件，而机体的代谢活动却不断产生大量酸和少量碱(NH3和各种有机胺)，如一个体重60 kg的人每天可产生15 000 mmol CO2或碳酸，若体液量是36 L，则相当于每升体液的[H+]增高了416 mmol，约增加1 000倍，若这些CO2不能排出，其后果之严重可想而之。CO2与H2O结合形成H2CO3，以CO2形式从呼吸器官排出体外，故称为挥发性酸。蛋白质、磷脂及核酸的分解代谢产物可产生硫酸、磷酸及尿酸。糖和脂肪氧化的中间产物也包括多种酸，如乳酸、酮体中的β–羟丁酸和乙酰乙酸等都属于不能挥发性酸，必须由尿排出，称为固定酸;动物也可从食物得到少量的酸和碱。在生理条件下，机体可通过体液的缓冲作用和呼吸器官、肾的功能性调节保持体液的H+浓度的相对稳定。机体保持体液H+浓度相对稳定的过程称为酸碱平衡(acid–base balance)(图7–7)。
(1)体液的缓冲作用
血液中存在着许多缓冲对(缓冲系统)。可将外加的少量强酸(碱)转化为弱酸(碱)，即具有缓冲作用。CO2在哺乳动物血液中仅有5%以物理溶解状态存在，其水合常数也只有1/426，因此所形成的H2CO3
也很少，但每日由固定酸产生的H+约为50,100 mmol，若体液没有缓冲作用，每秒产生的固定酸即可使体液H+浓度(以40 mmo1/L计算)升高一倍，3 s即可达到H+生存浓度极限(159 mmol/L)因此体液的缓冲作用是维持酸碱平衡的第一道防线。
血液的缓冲对可在几分之一秒内发挥强大的缓冲作用。其中以NaHCO3/ H2CO3缓冲对能力最强，约占全血缓冲能力一半以上(表7–5)，在缓冲固定酸中起主要作用。
挥发性酸主要靠血红蛋白(Hb–/HbO2–)缓冲对。据计算，即使大量固定酸进入血液使HCO3– 消耗一半，pH也只由7.40降到7.10，若没有Hb–/HbO2– 缓冲对，静脉血可因CO2含量升高而使H+浓度高达动脉血的800倍，实际上静脉血pH仅比动脉血低0.02,0.1。可见血液的缓冲作用的意义首先在于保证在瞬间血液的pH不会有剧烈变动。
挥发性酸和固定酸缓冲对的缓冲作用可用下式表示(式中B–/HB表示非挥发性酸缓冲对，其中B–为碱性弱酸盐形式，HB为弱酸形式):
当体内CO2增加时H+浓度增大可通过B–/HB缓冲对得到调节。
当体内非挥发性酸度增加时，H+浓度增大可通过CO2和HB的产生得到缓冲。
无论是HCO3–缓冲对缓冲固定酸或碱，还是红细胞中的Hb缓冲对缓冲血浆中的CO2(H2CO3)的变化，缓冲的结果都是将进入血液的酸性或碱性物质含量的变化转变为HCO3– 和H2CO3浓度的变化，从而为呼吸器官(排 H2CO3)和肾(排HCO3–)的调节做好准备。
pH取决于HCO3–和H2CO3(CO2)二者浓度的比值。人的二者比值为20/1时，pH为7.40，二者比值维持在18/1,22/1范围时，pH保持在7.35,7.45。
(2)呼吸器官在酸碱平衡调节中的作用
以空气呼吸的高等脊椎动物都可以通过改变呼吸器官的通气量来改变体液中的HCO3–浓度，而建立起机体维持酸碱平衡的第二防线。例如哺乳动物，当肺泡的通气量增加到正常值的2倍时，可使体液的pH增加0.23;而通气量降到正常值的1/4时，体液的pH由7.40降到6.95。通过肺泡的通气量调节体液的pH十分迅速而且幅度较大。肺泡通气量的改变受血液pH的反馈性调节。当血液的pH由7.40降到7.00时，肺通气量可增加到正常值的4,5倍;当血液pH增大时，肺通气量减少。CO2在体内积累，同时产生氧分压(PO2)下降，后者可抵抗因pH增加而引起的呼吸抑制作用。体液中H+浓度的变化是通过化学感受器调节呼吸运动的(见第4章)。
(3)肾在酸碱平衡调节中的作用
肾参与体内酸碱平衡调节有3个方面的机制:泌H+ 和HCO3– 的重吸收，泌氨和HCO3– 的产生及可滴定酸的排出和产生HCO3–。
? 泌H+ 和HCO3–的重吸收:前已叙及，肾小管上皮细胞可以将CO2转化成H2CO3，，以H+形式与Na+进行交换。同时也促进了小管液中HCO3– 转化为CO2和 HCO3– 与 Na+ 的重吸收回血。
? 泌氨和HCO3– 的产生:如前述，仅仅通过肾小管重吸收在肾小球滤过的HCO3–，不足以补偿用于缓冲代谢产生的非挥发性酸所需的HCO3–，因此要维持体内的酸碱平衡，肾还必须产生新的HCO3–。肾中氨的生成和分泌过程和肾内新生成的HCO3-*有关。肾小管(特别是近球小管)的上皮细胞内的谷氨酰胺(glutamine)在谷氨酰胺酶的作用下脱氨(NH3)生成谷氨酸和铵(NH4+)，谷氨酸又在谷氨酸脱氢酶作用下生成α,酮戊二酸(2价阴离子)和NH4，;α,酮戊二酸消耗2个H+，生成2个HCO3–。HCO3– 经上皮细胞的基底侧膜进入管周毛细血管。在细胞内NH4，与NH3，H+两种形式之间处于一定的平衡状态。NH3是脂溶性分子，既可通过细胞膜自由扩散进入小管腔，也可通过基底侧膜进入细胞间隙。在肾小管各段特别是在近球小管的小管液中NH3与H+ 结合成为NH4+。可以以NH4+取代H+，由H+– Na+ 转运体转运(即NH4+,Na+交换的形式分泌NH4+)，但又有约75%的NH4+在髓襻升支粗段以NH4+– Na+–2Cl–协同转运方式被重吸收，也有一部分通过细胞旁途径被重吸收。重吸收的NH4+被保留在髓质的组织间隙中。同样，在髓质的组织间隙中NH4， 与NH3仍保持着动态平衡。存在于肾髓质的组织间隙中的NH3又可以通过集合管上皮扩散进入集合管的管腔内，由于集合管上皮细胞没有转运NH4+ 的机制，对NH4+ 的通透性也很低，并且集合管的小管液呈酸性，所以进入集合管腔内的NH3与H+ 结合成
为NH4+ 从尿中排出。因此，肾在调节酸碱平衡中的作用主要在于远球小管下段及集合管对NH3的分泌和管腔内NH4+ 的形成。从尿中每排出一个NH4+，同时在细胞内会产生一个HCO3– 回血(图7–8，图7–9)。肾必须排出NH4+，才能使新的进入血液循环。如果肾生成的NH4+ 没有被排出而进入血液，则肝就会将其合成尿素并生成H+，H+ 需要HCO3– 中和，因此机体不能得到HCO3– 的补充。
? 排出可滴定酸和产生HCO3– :正常尿量时，被分泌出来的H+主要由尿液中的缓冲对(HPO42–/H2PO4– 和NH3/NH4+)缓冲，即和HPO42–和NH3结合，以H2PO4–和NH4+形式排出。因酸性磷酸盐(NaH2PO4)可中和碱，故称为可滴定酸。该H+仍是来自细胞内的H2CO3(图7–10)，因此可滴定酸每结合一个H+，同时有一个新产生的HCO3–进入血液，以弥补缓冲固定酸所消耗的HCO3–。用NaOH把尿滴定至与血浆相同的pH，即可测知可滴定酸量。可滴定酸的形式占肾排酸总量的1/3,1/2。肾小管上皮细胞分泌的H+，在近曲小管几乎全部用于重吸收HCO3–;在远曲小管则几乎全部用于生成可滴定酸和NH4+。
(4)鱼类的酸碱平衡
和其他变温动物一样，鱼类不能像恒温动物那样能保持体液pH的相对恒定，一般在7.4~7.8或稍高于7.8的范围内变化。鱼类体液的pH不仅随着温度变化而变化，而且还受环境酸度变化的影响。
由于水含氧量比空气低，因此与肺呼吸的动物相比，鱼类为了吸收充足的氧，必须具备很高的呼吸频率。同时由于CO2在水中的溶解度比O2大得多，遇到高频率的换气，使得吸入水的2COP与动脉中的2COP差异很小，因此鱼类为了调节体内的酸碱平衡，通过降低换气频率受到很大的限制。只有在环境严重缺氧时，鱼才加强换气，伴随着2COP下降;在高氧水环境中，换气减少，随之2COP上升。另外，鱼类血液中的2COP也比陆栖脊椎动物的低得多。血液中的CO2主要以HCO3–形式存在，所以血液中的变化幅度一般较小，虽然2COP随着温度升高而变小，但变化仍很小，不能引起明显的pH变化。但是，HCO3–浓度随着温度升高而减少却非常显著，从而导致明显的pH下降。因此，对HCO3–浓度的调整(包括HCO3–的转运和排泄)才是鱼类酸碱调节的主要机制。
与高等脊椎动物相比，鱼类的细胞外液含有较少的HCO3–，而且非碳酸根缓冲系统的浓度也较低，因此缓冲容量(buffer capacity)较低，通过体液缓冲机制调节酸碱平衡也受到限制。所以，与酸碱有
关的离子的转运和排泄在细胞外液的酸碱平衡中起主要作用。
?H+的排泄:代谢产生的过剩的H+通过体液由鳃上皮和肾排出体外。在鳃部，H+的排出与Na+的吸收机制相联系，通过Na+/H+主动转换方式进行排泄，并且依赖于其他因素，如NH3/NH4+的产生和排泄。在肾，主要通过排出体液过多的H+和对HCO3–的重吸收加以调节，来维持体内的酸碱平衡。 ?H+、NH4+、HCO3–离子的转换:和哺乳动物一样，鱼类无论是鳃还是肾都具有H+、NH4+、HCO3–离子转换机制以维持体内的酸碱平衡。
NH3是由肝、肾和鳃中的α–氨基酸脱氨产生。NH3产生后有90%以上与H+结合为NH4+，以NH4+形式转运到排泄器官，其中又有90%由鳃排泄。因此，体液中多余的H+可通过NH4+进行转移和排泄。在鳃上，NH4+主要由载体以NH4+/Na+的主动转运机制排出。由于NH3是高脂溶性的，所以部分NH3可通过鳃上皮排出体外。这种情况在NH3的产生超过Na+的主动吸收时或体液pH下降时容易发生。在肾，NH3都是与小管液中的H+结合，以NH4+形式排泄。
由于NH3在吸收了H+ 后产生了大量的HCO3–，在理论上，无论NH3的排泄机制如何，NH3与HCO3–总是以等量排出体外。当以NH4+ 形式排出时，总是伴随等量的HCO3– 转换;当以NH3 形式向体外扩散时，则CO2也因NH3排出的酸化效应而在排泄器官以非离子形式排出。
此时，如果环境水中的碱性不强，则扩散出的NH3和CO2又大量地转换为NH4+和HCO3–，产生与离子转换相同的效果(图7–11)。
7-17 综合案例分析2.脊椎动物含氮废物的排泄
在动物的食物成分中，糖和脂肪在代谢过程中完全氧化成为CO2和水;组成蛋白质的各种氨基酸，
在代谢过程中先脱去氨基，剩下的碳链继续氧化成CO2和水，而氨基则可转变成氨(NH3)、尿素、尿酸等排出体外。在排泄的含氮废物中，有90%来自蛋白质，少数来自核酸和肌肉中的磷酸肌酸(其代谢
产物是肌酐)。各种动物排泄的含氮废物种类不同，有的主要排泄氨，有的主要排泄尿素，而有的主要排泄尿酸，这些主要与动物的进化和生活习性有关。
(1)氨的排泄
氨是毒性大、通透性高的化合物，即使浓度很低也是有害的。若血液中氨的含量超过1%，动物就要死亡。因此，氨一经产生就要排出体外。因为氨分子小，又易溶于水，可以从与水接触的体表扩散到水中，所以大多数水栖的无脊椎动物如乌贼、螺、海星、虾、蟹及某些水生昆虫的蛋白质代谢产物主要以氨的形式排泄。排泄1 g氨中的氮一般需要300,500 mL的水，这对于水生动物来说，通过鳃排泄是不成问题的，而对陆生动物则不行。因此，一般淡水硬骨鱼类的含氮代谢废物主要以氨的形式从鳃排泄，鲤鱼、金鱼从鳃排泄氨的含氮量为肾排泄的氮量的6,10倍。肺鱼生活在水中时主要排泄氨，而在干泥内的茧体中夏眠时，全部含氮代谢废物都转化为尿素，并蓄积在血液中。两栖类动物的幼体蝌蚪也因生活在水中而主要排泄氨。生活在水中的鳄鱼主要排泄氨，而且是以NH4+ 的形式存在于尿中，这有利于机体保留Na+ 和Cl–。
(2)尿素的排泄
尿素的毒性比氨低得多，在水中的溶解度也较大，每排出1 g尿素只需50 mL水。许多脊椎动物(包括鱼类、变态后的两栖类成体、某些爬行类和哺乳动物)主要以尿素的形式排泄含氮废物。由肾小球滤过和肾小管分泌两条途径进行排泄。海水硬骨鱼类因为没有肾小球，主要靠肾小管的分泌进行排泄。海水板鳃类(鲨和鳐)、矛尾鱼和食蟹蛙因要把尿素保留在体内以保持高的渗透压，这些动物的尿素成了有用的终产物。板鳃类的尿素从肾小球滤出之后，又被肾小管主动重吸收而不使其丧失。尚无证据证明食蟹蛙的肾小管能主动重吸收尿素，但它们产生尿素的速度慢，肾小管对尿素有较大的通透性，尿素能从肾小管扩散到血液，血液中的尿素浓度与尿中的相等，这样，只会有少量尿素损失。一般蛙的肾小管能主动分泌尿素。哺乳动物排出的含氮废物绝大多数是尿素，哺乳动物还可以通过汗腺分泌汗液排出尿素。 (3)尿酸的排泄
尿酸的毒性小，微溶于水，每升水只溶解6 mg左右，一般以糊状沉淀形式排出。鸟类、大多数爬行类、昆虫和陆地生活的腹足类(蜗牛)主要排泄尿酸。可以认为排泄尿酸是对陆地生活保留水分的一种功能上的适应。
鸟类粪便中的白色半固体部分即是尿酸。鸟类和爬行类排泄尿酸原因之一可能与其生殖方式有关。它们的胚胎是在有壳的蛋内发育，除了能与环境进行气体交换外，排泄物只能积存在蛋壳内。在蛋壳内胚胎得不到水，因氨有毒，不能积存过多;若产生尿素，则需要一定的水溶解，也不可能;而尿酸可以沉淀，以结晶的形式积存在尿囊内。另外，鸟的胚胎发育所需的能量来自脂肪，因而能形成较多的水和较少的含氮废物。这也是节约能量和水的一种适应。爬行类一般受其生活环境水的多少影响来确定其排泄含氮废物的种类，如生活在水中的龟，尿中含有较多的氨和尿素;蜥蜴和蛇由产生氨和尿素到产生尿酸的转变的时期，在不同种类中也各不相同。将卵产在潮湿沙土上的种类转变到产生尿酸的时期较迟，但也发生在孵出之前。陆地上的鸟类，90%的含氮废物以尿酸的形式排出，3%,4%以氨的形式排出。半水上生活的鸟，如鸭，只有50%的含氮废物以尿酸排出，30%以氨排出。
第8章 神经系统
8-1 神经元的基本结构和分类
神经元由胞体和突起两部分组成。神经元的胞体大多集中在大脑和小脑皮质、脑干和脊髓灰质以及神经节内。胞体包括胞核和核周围的胞质。神经元的突起又分树突(dedrite)和轴突(axon)。树突发自胞体，分支多而短，呈树枝状，树突可以看成是胞体的延伸部。在胞体及树突膜上一般有能与神经递质相结合的特异性受体。轴突是从胞体发出的细长突起，也称为神经纤维(nerve fiber)，直径均匀，但长短不一;一个神经元一般只有一根轴突，若有分支，则可垂直于轴突发出;轴突末端可分成许多分支，为神经末梢;轴突一般都有髓鞘包被，但在与胞体连接部(轴丘)及其末梢则失去髓鞘。神经末梢的末端膨大呈球状，称为突触小体(synaptic knob)，突触小体内有丰富的线粒体和小泡，小泡内含神经递质。
根据神经元突起的数目，可将神经元分为:? 假单极神经元(pseudounipolar neuron)，如脊神经节细
胞，从胞体发出一个突起，但很快形成“T”字形分支，一支进入周围组织形成感觉末梢，另一支进入脊髓;? 双极神经元(bipolar neuron)，如视网膜双极细胞，从胞体相对的两端各伸出一支突起，一支与感觉细胞相连接，另一支与神经节细胞相连接;? 多极神经元(multipolar neuron)，如脊髓运动神经元，具有一支轴突和多支树突。根据神经元的功能差异或在反射弧中的位置，可将神经元分为:? 感觉(或传入)神经元，能接受体内、外的刺激，将兴奋传到中枢神经系统;? 运动(或传出)神经元，能把兴奋从中枢传至肌肉、腺体等效应器，如脊髓的运动神经元;? 联络(或中间)神经元，它们主要在中枢内起中间连接作用，如脊髓中的闰绍细胞。根据轴突上是否含有髓鞘，可将神经纤维分为有髓神经纤维(myelinated nerve
fiber)和无髓神经纤维(unmyelinated nerve fiber)两种。实际上，即使是无髓纤维的轴突也包绕有一薄层神经膜。根据神经元所含的递质种类不同，可将神经元分为胆碱能神经元(cholinergic neuron)、肾上腺素能神经元(adrenergic neuron)和其他各种递质的神经元。在整体中，许多脊神经或脑神经多是由传入与传出纤维构成的混合神经。
8-2 哺乳类动物周围神经纤维的分类
8-3 神经纤维的轴浆运输
轴突内的轴浆是经常流动的，轴浆流动具有运输物质的作用，称为轴浆运输(axoplasmic transport)。神经元是一种分泌细胞，但不同于一般分泌细胞，其分泌部位通常位于轴突末梢，所有蛋白质都在胞体内的高尔基复合体内合成，然后通过轴浆流动将这些蛋白质运输到神经末梢的突触小体。轴浆运输可分为顺向轴浆运输(anterograde axoplasmic transport)和逆向轴浆运输(retrograde axoplasmic transport)两类。
神经元自胞体(向轴突末梢)的顺向轴浆运输分两类，其一是快速轴浆运输，是指具有膜结构的细胞器，如线粒体、递质小泡和分泌颗粒等的运输。猴、猫等动物坐骨神经的快速运输速度约410 mm/d，是通过一种类似于肌球蛋白的驱动蛋白而实现的。驱动蛋白有一个杆部、两个呈球形的头部和两个含轻链的尾部。轻链可连接于被运输的细胞器;头部则构成横桥，具有ATP酶活性，能与微管上的微管结合蛋白结合。当其中一个头部结合于微管时，ATP酶即能分解ATP而获能，使驱动蛋白颈部扭动，于是另一个头部与微管的下一个位点结合，如此反复交换进行，细胞器便沿着微管输送到轴突的末梢。微管也不断由胞体移向轴突末梢。另一种为慢速轴浆运输，是指随着微管和微丝等结构不断向末梢方向移动的同时，轴浆的其他可溶性成分也随之被顺向运输，其运输速度为1,12 mm/d(图8–1)。
逆向轴浆运输是指某些可被轴突末梢摄取的物质，如神经营养因子、狂犬病病毒、破伤风毒素等，在入胞后可沿突轴被逆向运输到神经元胞体，对神经元的活动产生影响。逆向轴浆运输的速度约为205 mm/d，是通过动力蛋白(dynein)完成的。动力蛋白也有两个头部，其颈部嵌入一蛋白复合体中，其在胞质中的作用方式与驱动蛋白相似。
8-4 神经的营养性作用
(1)神经的营养性作用
神经对其所支配的组织能发挥两方面的作用，一方面是借助突触前膜释放的特殊递质作用于突触后膜，改变所支配组织的功能活动，该作用称为功能性作用。另一方面，神经还能通过末梢经常性地释放某些物质，持续地调整被支配组织的内在代谢活动，影响其结构、生化和生理功能，这一作用与神经冲动无关，称为神经纤维的营养性作用(trophic action)。
在正常情况下，神经的营养性作用不易被观察出来，但在切断神经后就能明显地表现出来。例如，切断味觉神经则味蕾退化，当神经重新长入时味蕾又恢复;在机体发育过程中，如切断肌梭传入神经，则肌梭不再分化，不能出现结构特殊的梭内肌纤维;再如，切断运动神经后，肌肉内糖原合成减慢，蛋白质分解加速，肌肉逐渐萎缩。如将神经缝合再生，则肌肉内糖原合成加速，蛋白质分解减慢而合成加快，肌肉逐渐恢复正常。营养性作用的机制较复杂，目前认为，神经元生成的营养性因子由胞体随轴浆流运输到末梢，经常性地释放到所支配的组织，以维持组织正常代谢与功能。
(2)支持神经的营养性因子
与上述相反，神经支配的组织和星形胶质细胞也可持续产生某些物质对神经元起支持和营养作用，并促进神经的生长发育，称为神经营养性因子(neurotyophin，NT)。例如，神经生长因子是交感神经和背根
神经节神经元生长发育必需的因子，它是由组织产生后被神经元末梢摄取，经逆向轴浆流运输到胞体而发挥作用的。目前已发现并分离出多种神经营养性因子，其中较为重要的有:神经生长因子(nerve growth factor，NGF)、脑源性神经营养性因子(brain–derived neurotrophic factor，BDNF)、神经营养性因子3(NT–3)和神经营养性因子4/5(NT–4/5)等。
8-5 自主神经的递质、受体及其生物效应
8-6 其他神经递质、受体及其生物效应
(1)多巴胺及其受体
多巴胺(dopamine，DA)属于儿茶酚胺类。已发现并克隆出D1,D5共5种多巴胺受体，均属G蛋白耦联受体。多巴胺系统主要存在于中枢，主要参与对躯体运动、精神情绪活动、垂体内分泌功能和心血管活动等的调节。
(2)5–羟色胺及其受体
5–羟色胺(serotonin或5–hydroxytryptamine，5–HT)主要分布于血小板、胃肠道的嗜铬样细胞、肌间神经丛、脑和视网膜等处的神经细胞膜上。5–HT受体多而复杂，已知的有5–HT1,5–HT7，共7种受体。中枢5–HT系统的主要功能是调节痛觉、精神情绪、睡眠、体温、性行为和垂体内分泌等。 (3)组胺及其受体
下丘脑后部的乳头核内含组胺(histamine)能神经元的胞体，其纤维几乎到达中枢的所有部位。此外，组胺还存在于胃黏膜和含肝素的肥大细胞中。组胺受体有3种，即H1、H2、H3受体，广泛分布于中枢和周围神经系统内。中枢组胺系统可能与觉醒、性行为、腺垂体激素分泌、血压、饮水和痛觉等调节有关。 (4)氨基酸类递质及其受体
氨基酸类递质主要存在于中枢神经系统，可分为兴奋性递质和抑制性递质两大类:? 谷氨酸(glutamic acid或glutamate，Glu)和天冬氨酸(aspartic acid或aspartate，Asp )是酸性氨基酸，为兴奋性递质，广泛分布于脑皮质和感觉传入通路。? 甘氨酸(glycine，Gly)和γ–氨基丁酸(γ–aminobutyrica acid，GABA)是抑制性递质。甘氨酸主要分布在脊髓，其闰绍细胞末梢释放甘氨酸引起突触后膜超极化，产生突触后抑制(见正文)。破伤风毒素可阻止神经末梢释放甘氨酸，因而可引起肌肉痉挛和惊厥。γ–氨基丁酸(GABA)主要分布在大脑皮质、小脑皮质、纹状体等部位，引起突触后膜超极化，产生突触后抑制;在脊髓内γ–氨基丁酸还能引起突触前除极化，产生突触前抑制(见正文)。
(5)神经肽及其受体
神经肽(neuropeptide)受体是指分布于神经系统的起信息传递作用或调节信息传递的肽类物质的受体。近年来已发现脑内存在30多种神经肽可作为神经递质。神经肽主要有以下几类。
? 速激肽:主要包括P物质(substance P)、神经激肽A(neurokinin A)等6个成员。它们都是G蛋白耦联受体，均可激活磷脂酶C而增加IP3和DG。
? 阿片肽:目前已有20多种有活性的阿片肽被鉴定，其中最主要的是内啡肽、脑啡肽和强啡肽三大族，因均为具有吗啡样活性的多肽，故总称为阿片肽。脑啡肽可经阿片受体抑制大脑皮质、纹状体和中脑导水管周围的灰质神经元放电。脊髓背角胶质区的脑啡肽能调节痛觉纤维的传入活动，在镇痛中起一定作用。此外，阿片肽还具有调节内分泌、心血管活动和呼吸运动的功能。
? 下丘脑调节性肽和神经垂体肽:见正文第9章。
? 脑–肠肽:是指在胃肠道和脑内双重分布的肽类物质，主要有血管活性肠肽、缩胆囊素、促胃液素及促胃动素等。
(6)嘌呤类受体
嘌呤类递质主要有腺苷(adenosine)和ATP。腺苷是中枢神经系统中的抑制性调质。咖啡和茶的中枢兴奋效应是由咖啡因和茶碱抑制腺苷的作用而产生的。ATP在体内具有广泛的受体介导效应。嘌呤类受体可分为腺苷(P1)受体和腺嘌呤核苷酸(P2)受体两类，前者在中枢和周围神经系统均有分布，后者主要存在于周围神经系统。
(7)气体分子及其受体
一氧化氮(nitric oxide，NO)作为一种非经典的神经递质，是近年来神经科学领域中的一个重要发现。体内的NO的前体物质L–精氨酸，是由一氧化氮合成酶催化而来。作为一种气体分子，NO以扩散的方式到达邻近细胞，直接结合并激活鸟苷酸环化酶，使胞质内的cGMP水平升高，从而引起一系列生物效应。NO是一种由血管内皮细胞释放的内皮舒张因子，在脑内也有产生，中枢神经系统中的一氧化氮可弥散到另一神经元发挥其生理作用，并起到神经元之间信息传递的作用。
一氧化碳(carbon monoxide，CO)也是一种气体分子，在血红素代谢中由血红素的加氧酶的作用而形成。CO不仅在心血管、免疫等系统中作为一种信使分子发挥作用，而且还可能是一种新型的神经递质。NO与CO都是通过旁分泌，以弥散的方式作用于靶细胞鸟苷酸环化酶的活性中心而产生生物学效应。 8-7 反射及反射弧分析
(1)反射及其分类
神经系统功能的基本方式是反射(reflex)(见正文绪论)，反射是指在中枢神经系统参与下，机体对内外环境变化所作出的规律性应答反应。巴甫洛夫在前人研究的基础上，进一步研究了大脑皮质的功能，提出了条件反射学说，将反射分为非条件反射和条件反射两类。
非条件反射是指生来就有、数量有限、比较固定和形式较低级的反射活动，包括防御反射、食物反射和性反射等。非条件反射是动物在长期的种系发展中形成的，它的建立无需大脑皮质的参与，通过皮质下中枢即可形成。这类反射能使机体初步适应环境，对机体生存和种系发展、繁衍等有重要意义。条件反射是指在动物出生后通过后天学习和训练而形成的反射，是反射活动的高级形式。是动物在个体的生活过程中按所处的生活条件，在非条件反射基础上建立起来的一种特定的反射活动，其数量无限，可以建立，也可消退。条件反射的建立扩大了机体的反应范围。在高等动物的个体中，纯粹的非条件反射仅在新生时容易见到，以后由于条件反射的不断建立，条件反射与非条件反射越来越不可分地融合在一起，而且条件反射起主导作用。
(2)反射弧
反射活动的结构基础和基本单位是反射弧(reflex arc)(图8–2，见绪论)。一个反射活动过程可简单地描述为:一定的刺激作用于相应的感受器，使感受器兴奋;兴奋以神经冲动的方式由传入神经传向中枢;经过中枢的分析与综合，产生兴奋;中枢的兴奋又经传出神经到达效应器，使效应器的活动发生相应变化。如果中枢发生抑制，则使中枢原有的传出冲动减弱或停止。在实验条件下，人工的刺激直接作用于传入神经也可引起反射活动，但在自然条件下，反射活动一般都需经过完整的反射弧来实现，如果反射弧中任何一个环节中断或被破坏，反射就不能产生。
反射中枢通常是指中枢神经系统中调节某一特定的生理功能的神经元群。整体情况下发生反射活动时，反射中枢的范围相差很大。较简单的反射活动，参与反射活动的中枢范围较为狭窄，如膝跳反射的中枢仅在脊髓，传入与传出神经元之间只有一个突触，是机体内唯一的单突触反射弧。但一个复杂的反射活动，其反射中枢范围则很广，从传入到传出神经元之间插入一个或多个中间神经元，其反射弧称多突触反射弧。 (3)整体条件下的反射过程
在整体情况下，感觉冲动传入脊髓或脑干后，除了在同一水平与传出部位发生联系外，往往冲动还上行地传导到更高级的中枢部位，乃至大脑皮质(图8–3)。通过高级中枢的进一步整合，再发出下行冲动来调整反射的传出冲动。通过以上多级水平的整合后，使反射活动具有更大的复杂性和适应性。如呼吸中枢就分布在延髓、脑桥、下丘脑乃至大脑皮质。神经中枢的活动除了通过神经纤维直接作用于效应器外，在某些情况下，传出神经也可作用于内分泌腺或组织，通过内分泌腺分泌激素，再间接作用于效应器。 8-8 中枢抑制的离子机制
在第1章中，我们曾提到，某些神经元接受了抑制性神经递质如GABA，其膜上的GABA受体被激活，引起大量Cl– 内流，(突触后)膜发生超极化，其兴奋性受到抑制。传入侧支性抑制和回返性抑制属于这种过程。但事实上这种IPSP的值不完全是Cl– 活动的结果，可能还有K+活动。研究发现，大脑皮质和前庭外侧核的神经元细胞内的Cl–浓度较Nernst方程式计算出来的数值要低，说明Cl– 的平衡电位(ECl)的绝对值较细胞的静息膜电位(Em)为大。这是因为在这些神经元膜上存在着一种K+–Cl–同向转运体
的亚型，后者可利用膜内外K+ 的浓度梯度，K+ 外流而促进Cl– 外流。所以，当Cl– 通道受到GABA、甘氨酸等递质的作用而被激活开放时，Cl– 则产生内流(外向电流)，使膜发生超极化，从而形成抑制性突触后电位(见第1章)。
一般认为细胞膜对Cl– 不存在原发性主动转运，因此Cl– 在膜两侧的分布是被动的，在细胞内的浓度取决于膜电位，可用Nernst公式算出。但近年来的研究显示，大多数细胞(如感觉神经元、交感神经节细胞、内皮细胞、白细胞、平滑肌细胞和心肌细胞等细胞)内的Cl– 浓度较Nernst方程式计算出来的数值要高，也就是说Cl– 的平衡电位(ECl)的绝对值较细胞的静息膜电位()为小，提示ClmE–跨膜转运除被动转运外，还存在主动转运的机制。尽管迄今尚未发现Cl–有原发性主动转运系统，但已证实上述细胞膜上有多种继发性主动转运系统，如Na+–K+–2Cl– 同向转运体、Cl––HCO3– 交换体，这些转运体和交换体具有向细胞内转运Cl– 的作用，造成细胞内Cl– 的积累，所以在静息状态下Cl– 并非处于平衡状态，它要受到一个由膜内流向膜外的驱动力。因此，一旦Cl– 通道受GABA刺激开放，将产生Cl– 外流(内向电流)而使膜除极化。即突触前抑制过程中突触前膜的除极化是Cl– 外流的结果。 8-9 关于突触前抑制与突触后抑制的差异
8-10 突触传递的可塑性
突触传递的可塑性(plasticity)是指突触的反复活动可引起突触传递效率发生较长时程的增强(易化)或减弱(压抑)。突触传递的可塑性主要有以下几种形式。
(1)强直后增强(posttetanic potentiation)
突触前末梢在接受一短串强直性刺激后，其突触后电位发生明显增强的现象称为强直后增强。强直性刺激是指高频刺激，突触后电位幅度增大的现象称为增强。强直后增强普遍存在于中枢神经系统中，尤其是与动物的学习、记忆有关的部位。
(2)习惯化(habituation)
当重复给予较温和的刺激时，突触对刺激的反应逐渐减弱甚至消失，这种可塑性称为习惯化。这是由于突触前末梢Ca2+ 通道逐渐失活引起细胞内Ca2+ 减少所致。
(3)敏感化(sensitization)
重复性刺激可使突触对原有刺激的反应性增强或延长，传递效率增加，称为敏感化。敏感化实质上就是突触前易化。
(4)长时程增强(long–term potentiation，LTP)
长时程增强是指突触前神经元受到短时间的快速重复性刺激后，在突触后神经元快速形成的持续时间较长的EPSP增强，表现为潜伏期短，幅度大，斜率加大。
(5)长时程压抑(long–term depression，LTD)
长时程压抑是指突触传递效率的长时程降低。LTD广泛存在于中枢神经系统中，中枢不同部位产生的机制不完全相同。
8-11 突触后电位的整合
中枢神经系统中的每一个神经元均接受数以万计的突触前神经末梢，并与之形成突触联系。这些突触联系具有多种多样的效应，如兴奋性的EPSP，抑制性的IPSP;可以是轴–胞、轴–树甚至是轴–轴联系;依据突触后电位的时间参数特征，又可将突触后电位分为快突触后电位(潜伏期几毫秒，持续几十毫秒)、慢突触后电位(潜伏期数百毫秒，持续数秒至几十秒)、迟慢突触后电位(潜伏期数秒，持续数分钟)等。因此，中枢的突触后神经元是兴奋还是抑制，能否产生动作电位，取决于这些突触电位在性质、空间、时间上的相互作用，这一过程称为突触整合(synaptic integration，见图8–4)。
突触整合的基础是突触后电位是局部电位，具有总和性，因此突触整合的基本方式是总和。不同的EPSP之间、IPSP之间，以及EPSP和IPSP之间均可依据其时间和空间的属性进行总和，以决定突触后神经元产生的总和以及反应的大小和持续时间，进而决定神经元的最终信号输出。
简单的例子是，IPSP和EPSP在同一个神经元上相互作用时，使得EPSP下降，达不到阈电位水平。这是一种简单的总和作用，称为线性作用方式。
IPSP和EPSP还有另一种作用方式，为非线性作用方式。IPSP的作用在于短路分流(shunting)，EPSP产生的膜电流可因IPSP期间通道的打开而被分流，进而使EPSP被抑制。这种分流作用与膜电位无关。即使因膜电位的超极化发生IPSP电位翻转，其短路分流仍然存在。
突触整合还要考虑产生的突触电位在神经元的什么地方，距轴突起始部(轴丘)的距离或几何方位。一般产生在轴突起始段和胞体的突触电位较产生在树突的突触电位作用大，而产生在近端树突的又比远端树突的作用大。
突触传递中一般都是以快突触后电位方式进行，而慢突触后电位通常是作为一种调制机制存在。即慢突触后电位通过对快突触后电位影响，进而改变了突触传递的效能。
8-12 感受器与感觉器官的分类
感受器的结构多种多样，有的就是感觉神经末梢本身，如与痛觉有关的游离神经末梢;有的感受器在裸露的神经末梢周围包绕一些细胞或形成特殊的结构小体，如与触压觉有关的触觉小体和环层小体等(图8–5);还有一些是在结构和功能上已高度分化的感觉细胞，它们以类似突触的形式与感觉神经末梢联系，如视网膜的感光细胞、耳蜗中的声感受细胞、味蕾中的味觉感受细胞等。由感觉细胞以及与其相连的非神经性附属结构共同构成的特殊装置，称为感觉器官(sense organ)。眼(视觉，vision)、耳(听觉，hearing)、前庭(平衡感觉，equilibrium)、味蕾(味觉，taste)、嗅上皮(嗅觉，smell)等器官都是高等动物的特殊感觉器官。
机体有各种各样的感受器。根据不同的分类方法可将机体的感受器分为多种类型。按分布的部位不同，感受器可分为内感受器(interoceptor)和外感受器(exteroceptor)。位于体内感受内环境变化的感受器，统称为内感受器，内感受器又可进一步分为本体感受器(proprioceptor，提供任何一时刻身体在空间位置的感受器，如肌梭和肌腱等)和内脏感受器(visceral receptor，存在于内脏器官内，如压力与容量感受器、渗透压感受器等);位于体表和头部主要接受外界环境变化的感受器，统称为外感受器。外感受器也可分为距离感受器(如视觉、听觉、嗅觉感受器)和接触感受器(如触觉、压觉、味觉、温度感受器)。按所接受的刺激性质的不同，感受器可分为化学感受器(chemoreceptor)、机械感受器(mechanoreceptor)、光、电磁感受器(photo receptor 、electromagnetic receptor)、温度感受器(thermoreceptor)、伤害性感受器(nociceptor)等。
触压觉的感受器是一种机械感受器，包括毛囊感受器、神经末梢或带有附属结构的环层小体(帕奇尼小体，Pacinian corpuscle)、触觉小体(迈斯纳小体，Meissner’s corpuscle)、鲁菲尼小体(Ruffini’s corpuscle)、梅克尔触盘(Merkel’s tactile disk)等。不同的附属结构决定着它们对触觉刺激的敏感性(如动物的须、毛由于其杠杆作用，可使刺激的力量放大好几倍)和适应性出现的快慢(如触觉适应快，压觉适应慢)。
昆虫的触觉由体表的毛感受器受接触的作用引起。毛感受器生于膜质窝内，毛的主干构造坚硬，任何力量触及它都能传到窝内，并产生运动。由于杠杆的原理，能将外力尽量地放大。最简单的毛感受器只有一条神经纤维与一个神经元相连，但一般是一条神经纤维与多个神经元相连，称为复合感受器。
高等动物皮肤上的触觉感受器为裸露的神经末梢，围绕在毛根的周围。在皮肤呈点状分布，分布不均匀，所以皮肤不同部位对触压刺激的敏感性不同。如四肢皮肤比躯干皮肤敏感得多，手指尖的敏感性最高。在皮肤两点同时给予机械刺激，如果两点间的距离够大，会感到两个独立的接触点。如果距离小到一定程度，就会感到只是一个点。皮肤感觉能分辨出两个接触点的最小距离叫做两点阈。
在动物普遍存在温度感受器，吸血的昆虫(如蚊子和虱子)通常用灵敏的温度感受器寻找温血动物。鱼类的皮肤和侧线能感受水温的变化和随水温变化洄游。鸟类的喙部和面部有温度感受器，常通过它们测知温度来调整盖在巢上的覆盖物的厚度，从而使巢内温度稳定。某些动物具有红外线感受器，如响尾蛇的面部在鼻孔与眼之间有一小窝，称为颊窝(facial pit)，就是特殊的红外线感受器，可以直接对红外辐射起反应。响尾蛇以此来确定它所要扑食的温血动物的方向和位置，而对死动物或温度与室温相等的动物则不攻击(图8–6)。
内脏痛可分为两类:一类是体腔壁痛(parietal pain)，如胸膜或腹膜的炎症、摩擦或手术牵拉刺激所引起的疼痛。这种痛的传入纤维混在躯体神经内，痛的性质则类似深部躯体痛觉，较为弥散和持久。另一类
是脏器痛，它是因内脏受到伤害性刺激，或者内脏本身被急性扩张、痉挛和循环障碍所引起。这种脏器痛的传入神经多混在自主神经内，一般是持续时间较长和定位不明确的钝痛。
8-13 感受器对刺激强度信息的编码及适应性
在对蛙的肌梭牵拉过程中，随着牵拉(刺激)强度的增强，肌梭向中枢发放的动作电位(冲动)的频率增加。如果用河豚毒人为地阻遏动作电位的产生，则会看到不断升高的感受器电位，在动态牵拉终止时达到峰值。当牵拉的强度保持恒定的时候(即使肌梭处于静止的状态时)，肌梭向中枢发放冲动的频率逐渐下降甚至停止，感受器电位处于下降的趋势，维持在一个较低的稳定水平上。停止牵拉二者进一步下降(图8–7)。
8-14 内侧丘系、外侧丘系和三叉神经传入通路
(1)背–内侧丘系的传入通路
对机械刺激敏感的背根神经元，经背–内侧丘系止于丘脑神经核团，通路为:背根神经节?脊髓同侧背(后)索(即薄束和禊束)?(上行至)延髓背(后)的薄束核和禊束核(换元)?交叉到对侧延髓组成内侧丘系?丘脑腹外侧核(第二次换元)?初级体感皮质(中央后回)。简称内侧丘系。 (2)脊–丘外侧丘系传入通路
指背根神经节神经元发出的较细的有髓鞘纤维和无髓鞘纤维，进入脊髓背(后)角(换元后)?在前联合交叉至对侧脊髓?前外侧束[脊髓–丘脑束，前(上)行]?丘脑腹后外侧核(换元)?初级体感皮质(中央后回)。简称外侧丘系。
经此通路所传递的伤害性刺激和温度信息，不具有精细的躯体定位性质。因为在进入前外侧束前已经存在多次突触转换，而且大部分神经元又投射到网状结构和非特异性丘脑–皮质通路。
(3)三叉神经传入通路
主要指来自头面部的躯体感受信息。由位于三叉神经节内的初级传入神经元的轴突传至脑干的脑桥后，分为两支:
? 在脑桥的三叉神经主核换元后?大部分交叉投射到对侧?沿三叉丘束(内侧丘系)? 丘脑腹后内侧核(换元)?初级体感皮质(中央后回)。这一通路主要传递头部的机械刺激信息，有一定的特异性。
? 进入脑桥后，下行经三叉神经脊髓束?延髓三叉神经脊束核(换元后)?交叉到对侧?三叉丘脑束(内侧丘系)?丘脑腹后内侧(换元)?初级体感皮质(中央后回)。这一通路主要传递头部的痛、温觉等。 上行纤维在脊髓内有规则地排列，使各种传入性冲动向脊髓的传入分布具有节段性的特点。这种节段性分布特点有临床诊断意义，当脊髓半离断时，离断对侧发生浅感觉障碍，离断的同侧发生深感觉和辨别觉障碍。
8-15 大脑皮质体表感觉与躯体运动区
人下肢代表区在中央后回的顶部，膝以下的代表区在半球的内侧面，上肢代表区在中央后回的中间部，而头面部则在底部，总体安排是倒置的，但在头面部代表区内部却是正立排列的(图8–9)。 8-16 内脏牵涉痛
如心肌缺血可发生心前区、左肩和左上臂的疼痛;胆囊炎、胆结石常发生右肩区疼痛;阑尾炎初期常发生腹部或脐周痛，这是由于来自某脏器和躯体的感觉纤维会聚到脊髓同一水平的同一后角神经元上，通过同一条通路上传。而且平时更多的疼痛都来自体表信息，所以大脑也把内脏痛误以为体表痛，这是会聚学说的解释。另一种解释认为，来自内脏和躯体的传入纤维都到达脊髓后角同一区域内彼此非常接近的不同神经元，由内脏传来的冲动可提高邻近的躯体感觉神经元的兴奋性，从而对体表传入冲动的敏感性增加，表现易化作用而产生牵涉痛，此为易化学说(图8–10)。
8-17 动物视觉器官的进化
几乎所有的动物都能感受光的刺激，并能作出反应。有人认为光可以直接对原生质产生作用，如变形虫整个细胞都能感光，有些鞭毛虫具有红色的眼点，对光十分敏感，能引导鞭毛虫游向阳光处;而且在一些多细胞动物中，如章鱼和乌贼除了视网膜外还有特殊的感光细胞，鳗鲡的虹膜肌的肌纤维、虾的最后一个神经节细胞也能直接接受光的刺激。
在动物的演化过程中，出现一些集中分布的感光细胞，这是最初出现在身体表面的扁平视网膜(图8–11)。这层扁平视网膜然后又下陷成杯状，如在涡虫头部的眼杯(eye cup)，是由一团色素细胞排列而成，感光细胞从杯口伸入杯中，末端膨大，内含有视色素分子(图8–12)。这些视色素分子能吸收光子产生动作电位并传入到脑。涡虫的眼杯不能成像，只能检测光的强度和方向，使涡虫避开强光躲到暗处。在以后进化过程中，眼杯上方的小孔逐渐变小，并在上方出现折光的结构——晶状体。多种环节动物、软体动物和节肢动物辐射状排列的小眼中，这层扁平的细胞向上凸起，形成凸起的视网膜。许多无脊椎动物包括鲎、虾、蟹和昆虫，具有复眼(compound eye)，复眼由上千个结构相同的小眼构成，每个小眼表面是一个六角形的凸出小单位，称为小眼的角膜。角膜下是晶状体，角膜和晶状体具有折光的功能。晶状体下是8,12个小视网膜细胞和1个偏心细胞。中央是偏心细胞的树突，小视网膜细胞是主要的感光细胞，围绕树突排列，每个小视网膜细胞的向中心的细胞膜形成许多管状突起(微绒毛)，形成感杆(图8–13)。光线通过晶状体进入小眼，被感受器上的光色素所吸收，当光线较弱时，小视网膜细胞上出现小的(3,8 mV)、短暂的除极化，从而使膜上的离子通道(Na，、Ca2，通道)开放。光照停止后，膜又复极化。由于各小眼之间通过偏心细胞轴突的侧支进行横向联系，因此互相影响着。小眼四周被色素细胞包围。蜜蜂、蝗虫等白天活动的昆虫，由于小网的感杆束与晶状体极为接近，小眼四周被色素细胞紧密包裹，只有与小视网膜感杆束长轴平行的光线才能射入小视网膜内，因此只能在各小眼形成不连续的镶嵌像。对于天蛾等夜间活动的昆虫，感杆和晶状体间有一段距离，而且小眼周围的色素细胞能够往返伸缩，可分别完成对光亮和黑暗的适应，所以各小眼所接受的光线除与感杆轴平行的直射光外，也能接受从邻近小眼斜射过来的光，因而可形成重叠的，但不清晰的像，称重复像。头足类[包括乌贼、章鱼(Octopus)、柔鱼(Ommastrephes)、船硝(Argonauta)等]是无脊椎动物中的最高级类群，其头部的神经节合成发达的脑，有软骨保护。有发达的眼，位于头部，其形态和结构的复杂性已接近于脊椎动物的眼。其视网膜从开始就发育成一个杯形结构，晶状体和脊椎动物一样可以移动，通过压挤视杯或向前移动晶状体，来调节晶状体和视网膜的距离，可在视网膜上形成清晰的图像(图8–14)。
8-18 鱼类的眼的调节——水中的鱼为何还未等人到水边就逃逸
和哺乳类一样，鸟类通过改变晶状体的曲率调节焦距。鱼类眼球呈椭圆形，而角膜平坦，球形水晶体和角膜相距很近，使光线不仅从前方，而且从上方和两侧穿入眼球。鱼类的晶状体是很坚实的球体，没有弹性，不能改变形状，所以鱼类在水中极度近视。但因为岸上物体的影像，须通过光线的折射传到水中，才落到鱼眼里，所以使鱼眼感觉到的物体距离要比实际物体距离近得多，位置也高得多。所以，当人还未靠近水边时，鱼已感觉到人在它的头上而躲开。另外，有的鱼的晶状体是椭圆形，晶状体到视网膜侧面的距离短于到后面视网膜的距离，因此这类鱼类可从侧面看清远方的物体，不需要进行眼的调节。鱼类依靠悬挂晶状体的悬韧带(晶状体上方)、晶状体牵缩肌(晶状体下方)和睫状肌的舒缩调节晶状体与视网膜之间的距离。大多数鱼类都不能调节瞳孔，但却能依靠视网膜色素细胞和感光细胞的相对运动调节视觉。光照射时，色素细胞延长，细胞内的黑色素扩散到突起内，视杆细胞也放松延长，其外段被黑色素包围和遮盖，同时视锥细胞收缩，其外段进入视网膜表层，因此光刺激只能作用到视锥细胞，产生亮视觉(图8–15)。微光或暗光时出现相反过程，视杆细胞发挥作用，产生暗视觉。许多高等动物(猪除外)、一些夜间活动的鱼类如鲨、某些鲤科、鲈科鱼类的视网膜或脉络膜有反光层或鸟嘌呤晶体，能有效地反射光线，增强光刺激。那些未被吸收的光线一直穿过瞳孔向眼外射出，这就是在黑夜中见到一些动物眼炯炯发光和家兔的眼睛是红色(毛细血管血液的背景色)的原因。
8-19 外周脑(视网膜的细微结构)
脊椎动物的视网膜由于在胚胎发育上与脑均起源于外胚层，在其结构上存在着多层次的网络结构，功能复杂，有点像脑，因此视网膜又被称为“外周脑”。因为视网膜的感光细胞处于射入光线的最远端(靠近脉络膜)，故也称为“反转膜”(inverse retina)，光线射入的方向与视网膜内各种神经元的信息处理流向正好相反。
视杆细胞外段胞质很少，绝大部分空间被重叠成层、排列整齐的圆盘状的膜盘(membranous disk)所占领。膜盘是一种扁平的囊状结构，具有与一般细胞膜相同的脂质双分子层结构。膜盘膜上镶嵌着蛋白质，
这些蛋白质的绝大部分是一种称为视紫红质(rhodopsin)的视色素(图8–16)，该色素在光的作用下会发生一系列光化学反应，是产生视觉的物质基础。视锥细胞外段呈圆锥形，也有类似的膜盘结构，膜盘上也含有特殊的视色素。人和绝大部分脊椎动物有3种不同的视锥色素，分别存在于3种不同的视锥细胞中。视杆细胞的外段比视锥细胞长得多，外段所含的视色素也要比视锥细胞多得多，人的每个视杆细胞外段有近千个膜盘，每个膜盘上有100万个视紫红质，这使得进入视网膜的光子有更多机会在外段遇到视紫红质分子;同时由于视杆细胞比视锥细胞对光反应慢，有利于更多的光反应得以总和，在一定程度上提高了视杆细胞对光的敏感度，可觉察出单个光子的强度。
8-20 感光细胞结构、功能与动物生活习性的适应
视网膜中两种感光细胞的功能不同，可以从不同的动物视网膜的差异来研究。白天活动的动物，如鸡、鸽、松鼠等的感光细胞几乎全是视锥细胞，很少或者没有视杆细胞。因此，鸡眼可以说是视锥眼。夜间活动的动物，如猫头鹰、鼠等感光细胞以视杆细胞为主，很少或者没有视锥细胞。鼠眼可以说是视杆眼。人和许多其他动物日夜都可以活动，视网膜中既有视锥细胞，又有视杆细胞，这种眼可称为混合眼。人视网膜中视杆细胞、视锥细胞的分布也是不均匀的，愈近视网膜边缘区视杆细胞愈多，愈近中心部视锥细胞愈多;在黄斑中心凹处，仅有视锥细胞而无视杆细胞。所以人的视觉在中央凹对亮光有极高的视敏度和色觉，而在视网边缘只能感受弱光刺激，而且色觉和清晰度都较差。两种感光细胞的信息传入通路的连接各有其特点:视杆系统多具会聚现象，即多个视杆细胞与同一个双极细胞联系，而多个双极细胞又与一个神经节细胞联系;在视网膜的边缘可看到多达250个视杆细胞经少数几个双极细胞会聚于同一个神经节细胞。这是视杆系统不可能有高的精细分辨能力和能将刺激进行总和的结构基础。相比之下，视锥系统细胞之间的联系会聚则很少。在中央凹甚至还可看到一个视锥细胞只通过一个双极细胞与一个神经节细胞联系，这种低会聚或无会聚的“单线联系”，使视锥系统具有高分辨能力。新资料提示，视锥系统还存在辐散式联系。
在鱼类，感光细胞在视网膜上的分布因鱼的种类变化很大。板鳃类，除鳐鱼和一些鲨鱼外，多数仅具有视杆细胞。硬骨鱼类，除深海鱼类外，可具有视杆细胞、视锥细胞、双锥细胞，但这些细胞的比例以及大小与鱼类的生活习性有关。
8-21 感光细胞暗电流产生的离子机制
过去认为，Na+穿过感受器细胞外段膜是暗电流产生的基础，现在发现暗电流的产生还有其他离子(如Ca2+)参与。在允许Na+内流的同时也有Ca2+的外流，这是靠Na+–Ca2+交换体完成的，Na+–Ca2+交换体在将3个Na+转运入细胞的同时将1个Ca2+转运出细胞，是一个生电的转运，所以感受器细胞暗电流的产生是这种交换体造成Na+内流的结果。据统计，1个视紫红质分子被激活时，至少能激活500个转导蛋白，而1个激活了的磷酸二酯酶每秒钟可使2 000个cGMP分子分解。因此，在光子和cGMP分子失活之间的联级反应中放大了106倍。正是由于存在着这种生物放大作用，1个光子足以在外段膜上引起大量化学门控Na+通道关闭，从而产生能被人的视觉感知的超极化电位变化。
在上述过程中，Ca2+对稳定细胞内cGMP和恢复Na+通道开放起一定的调控作用:cGMP所控制的Na+通道在黑暗中保持开放，这些通道也允许Ca2+通过，进入细胞内的Ca2+能抑制鸟苷酸环化酶的活性，并使磷酸二酯酶活性增加。光照视网膜可使细胞内cGMP减少，外段膜Na+通道关闭，同时也使Ca2+内流减少，细胞内Ca2+浓度下降，对鸟苷酸环化酶的抑制作用减弱，使磷酸二酯酶活性降低，结果使细胞内cGMP合成增加并恢复到原水平，恢复Na+通道开放。
8-22 与视觉有关的几个问题
(1)光觉敏感度
光觉敏感度简称光敏度，是区别明与暗、不同光亮强度的一种能力。一般有两种表示方法，一种表示方法是能引起光觉的最小光能，称光觉的绝对阈。绝对阈越小表示光敏感度越大。哺乳动物，特别是夜行性肉食动物的光绝对阈非常小，一般只有相当于2个到几十个光子的能量。另一种表示方法是区别光的不同亮度的分辨敏感度或光觉的差别阈。狗能正确地区别从白到黑的50个不同亮度。 (2)视敏度
视敏度是指眼对物体的细微结构的分辨能力，也称视力。一般以能够识别两个点之间的最小距离作为
衡量标准。能否辨别两个物体，取决于在视网膜上成像的大小。如果所成的像很小，即使小到仅覆盖于两个相邻的视细胞，也不能分辨为两个物体。因此要识别出两个点，至少要有两个视细胞分别被两个光点所刺激，而且被刺激的两个视细胞之间至少要有一个未被刺激的视细胞隔开。
(3)暗适应和明适应
机体从明亮处进入黑暗处时，会有较短时间的光觉丧失，经过一定时间，视觉敏感度才逐渐增高，恢复了在暗处的视力，这一现象称暗适应。暗适应是眼对光的敏感度在暗处逐渐提高的过程，是由于在亮处视杆细胞的视紫红质大量分解，剩余量很少，不足以产生兴奋，待到暗处视紫红质再合成增加，绝对量增多，暗视觉才逐渐恢复。相反，从暗处进入到亮处时，最初感到一片耀眼，不能视物，须稍等片刻才能恢复视觉，这一现象称为明适应。明适应主要是由于在暗处积蓄的视紫红质在亮光下迅速分解，故首先产生耀眼的光感;以后随着视紫红质急剧减少，视锥系统恢复昼光觉作用。
(4)双眼视觉与立体视觉
单眼固定地注视前方一点时，该眼所能看到的范围，称为视野(visual field，单眼视觉)。当两眼同时看一物体时两眼的视野有很大一部分重叠，此时的视觉称为双眼视觉(binocular vision)。这时物像正好落在两侧视网膜的对称点上，分别经两侧视神经传入中枢，融合为单一的物体。当两眼注视同一物体时，在两侧视网膜上所成的像并不完全相同，左眼看到物体的左侧面像较多，右眼看到物体的右侧面像较多，经过中枢神经系统的综合作用，便产生立体视觉(stereopsis)，具有立体感和距离感是由于两眼的视差所造成。家畜的视野见表8–4。
8-23 鱼类的趋光性及光诱捕鱼
鱼类感知人工光线刺激后能产生定向性运动，称为趋光反应。反应有两种形式:一是负趋光，即鱼离开光源，或从强度相对高的照明区进入较低的照明区。底栖鱼类大都表现这种反应，这是因为它们栖息、繁殖与索饵于底层，喜欢暗光。另一种是正趋光，即鱼类被光源所吸引，聚集在一定的照明区。中上层鱼类大多表现为这种反应。渔业生产上的光诱捕鱼就是根据鱼类的这种特性，用集鱼灯将鱼诱集到预定的水域进行捕捞。已知有许多种鱼能被光诱集，并已在生产上得到应用。为了提高光诱捕鱼的效果，在设计集渔灯和渔具时要充分了解被捕鱼类的视觉及趋光行为的特征。
8-24 视觉的中枢机制
(1)视觉通路
由视网膜的神经节细胞的轴突形成的视神经会合成视束，进入脑颅后在垂体前方会合、交叉，称视交叉。但实际上只有一部分视神经纤维(即来自每一视网膜靠近鼻半侧的纤维)在这儿交叉到对侧，进入对侧的视束，与来自另一眼的颞半侧的没有交叉的纤维合并，到达丘脑的外膝状体。在外膝状体经过换元，由外膝状体中继神经元(relay cell)发出纤维终止于大脑皮质的枕叶初级视皮质(图8–17A)。此称为视觉系统的第一视通路，是视束大部分纤维的走向。
视束的小部分纤维不经过外膝状体，而是向内经上丘、顶盖、上丘脑浅层再投射到丘脑枕，交换神经元再投射到视皮质。另外，上丘还有纤维直接投射到视皮质。因这条通路不通过外膝状体，故被称为膝状体外通路或第二视通路。
外膝状体内神经元分两大类，一类是起特异感觉接替作用的中继细胞，另一类是起联络作用的中间神经元。前者接受视网膜输入并投射到视皮质去，后者只在膝状体内部形成抑制性突触，它们全部属GABA能神经元。
(2)视皮质
初级视皮质位于枕叶皮质内侧面距状裂的上、下缘(17区)。距状裂上缘接受视网膜上半部的投射，距状裂下缘接受视网膜下半部的投射;距状裂后部接受视网膜中央黄斑区的投射，而距状裂前部接受视网膜周边区的投射(图8–17B)。视皮质有6层结构，来自外膝状体的投射纤维到达视皮质的第4层。
视皮质与躯体感觉皮质一样，相同功能的细胞在厚度为2 mm的皮质内垂直于视皮质表面呈柱(或片)状排列分布，称为视皮质功能柱。在同一“柱”内的神经元，其感受野性质几乎完全相同。视皮质功能柱有以下几种特征:
? 方位柱:如果将一微电极垂直插入视皮质，测定某一垂直线上各层细胞的放电频率，会发现它们都是对感受野中某一方向的光刺激发生最佳反应，这种柱状排列称为方位柱(orintation column)。每个功能柱的直径约1 mm。不同的方位柱对不同方向的光刺激产生最佳反应。在皮质每跨过一个功能柱，其感受最佳方位光刺激旋转5o,10o。
? 眼的优势柱:外膝状体细胞和视皮质第4层细胞仅接受来自一侧眼的投射。在视皮质第4层细胞电活动记录中发现，一些细胞接受一侧眼的传入，而与其相邻的细胞却接受另一侧眼的传入，这两类细胞相间隔排列。我们将接受同一侧眼投射的神经元在视皮质中呈垂直柱状排列称为眼的优势柱(ocular dominance column)。
? 颜色柱:在对猴的研究中发现，视皮质中有些细胞只对颜色光反应，对白光无反应，并且有颜色特异性反应的细胞和无颜色特异性反应的细胞是成串地交替出现，颜色特异性细胞也是排列成片状结构。同一柱内的细胞具有相同的光谱特性。
另外，视皮质功能柱还包括运动方向功能柱、空间频率功能柱等。运动方向功能柱内的细胞对具有相同的最优运动目标反应强烈，而相反运动方向无反应;空间频率柱内的皮质细胞对特定空间频率光栅刺激反应最强，而对别的空间频率光栅刺激则反应急剧下降或消失。在同一小块皮质功能柱内，细胞可以根据刺激图形不同而行使一种或几种功能。这样，细胞就具有多种功能。
8-25 声音的基本物理特性及其与声音感觉特性的关系
声音是在一定介质中传播的一种机械振动。对陆生动物而言，传播声音的介质是空气。在声音传播过程中，空气的分子在声音传播方向上上下来回振动，造成空气交替被压缩、稀疏，形成所谓的密波和疏波，简称疏密波。
人和动物听到声音刺激后，会对声音的各种物理特性产生不同的心理感觉，包括音调、响度、音色。音调是对声音频率的主观感觉。音调的高低由声音频率的高低决定，频率越高，音调越高，但两者间并不呈简单的线性关系。响度，是对声音的幅度的主观感觉，幅度越大，响度越高。响度的高低与声音的幅度也不呈简单的线性关系，同时声音的频率也会影响到响度的高低。音色与声音的频谱有关，对音乐而言，音色主要由某一基频音的谐波决定。
由于人和动物所处的环境中既包含了它们希望听到的目标声，也包含背景噪声;不同内容的声音来自不同的方向，因而听觉系统需要在复杂的声学环境中对目标声进行定位，识别并最终依据目标声形成相关的知觉。
8-26 动物听觉器官的进化
(1)无脊椎动物
大部分无脊椎动物都能感受低频振动，但它们并无特化了的听觉系统，而是通过体内的机械感受器和本体感受器来感觉声音的振动。
昆虫是唯一具有特化听觉系统的无脊椎动物。它们的听觉系统已明显地分为外周和中枢两部分。外周感受器主要是毛状感受器和弦音感受器。一部分听觉感受器能有效地探测低频率声波，用于识别同类个体，实现相互声学通讯;一些昆虫的感受器位于鼓膜器内，声波使鼓膜器振动，从而使与鼓膜相连的弦音感受器产生反应，对高频区域很宽频带内的声音都能反应。对高频声音的反应被用来探测其天敌(如蝙蝠)的叫声，以此躲避被捕食。声音振动激发了昆虫外周听觉感受器，令其发出活动信号。活动信号或通过感受器细胞的轴突传入相应节段的神经节，在神经节细胞内进行整合;或经中间神经元上传至其他神经节或脑神经节中，进行进一步的处理和整合。
(2)脊椎动物
鱼类的听觉器官是内耳，侧线器官和鳔亦参与或辅助内耳的听觉功能。鱼类的内耳没有耳蜗，仅由半规管和耳石组成，在其内的膜质管道内充满内淋巴。司听觉的器官是耳石器官的球状囊、瓶囊和侧线。大多数鱼类的听觉很差，在声音很强时也只能对低频(1 000 Hz左右)振动起反应，这可能与鱼类没有特化的耳蜗和没有任何能使声音集中到耳石上的结构有关。但有骨鳔鱼类的内耳由韦伯氏器与鳔相连(图8–18)。鳔的振动通过韦伯氏器传到球囊，可以听到几千赫兹的声音，比没有韦伯氏器的鱼敏感几千倍。没有
韦伯氏器、鳔或其他气室的鱼类还可能通过头颅、脊柱和身体其他部分(如侧线)参与声波的传播。
蛙的听觉感受器除球状囊上的听斑和听壶外，已出现中耳和原始的基底膜，提示对空气介质传播声音的灵敏性。在中耳有一条小骨把声音在鼓膜上产生的机械能传到球状囊。两栖类的内耳含有两种感受器系统:对100,1 000 Hz敏感的两栖类乳突(AP)和对1 000 Hz以上敏感的基底乳突(BP)。两栖类的听觉中枢已经存在复杂的听觉信息处理机制。
爬行类(尤其是鳄鱼)开始有外淋巴管把一条长的基膜分开。蛇与蜥蜴的耳不发达，只对几百Hz周频率的声音起反应。壁虎能对1 000 Hz以上的声波起反应。龟的听觉器官的基底膜很短，不可能靠行波进行频率分析。
鸟类和哺乳动物都有比较发达的听觉，哺乳动物开始出现复杂的外耳(耳廓，也称耳郭)来收集声音。鸟类没有外耳，主要靠头部转动来集音和判定声源方向，也有些鸟类(如猫头鹰)其羽毛可起到外耳的作用。鸟类的中耳只有一块听骨，哺乳类有三块听小骨。鸟和哺乳类的耳蜗都很发达，鸟类对声音敏感，对声音强度和频率的辨别能力几乎与哺乳动物相同。
8-27 听毛细胞感受器电位离子机制
纤毛弯曲使毛细胞顶部的机械门控通道开放，导致纤毛外环境(内淋巴液)中高浓度的K，流向细胞内，引起毛细胞发生除极化。结果使位于侧膜上的电压依赖式Ca2，通道开放，导致Ca2，内流。毛细胞内Ca2，浓度的升高使毛细胞基底部向突触间隙释放递质(谷氨酸)，同时又激活毛细胞基底侧膜上的Ca2，依赖式K，通道，造成K，外流，为毛细胞顶部的机械门控通道提供大量的电化学驱动力，有助于毛细胞的机械–电换能作用(图8–19)。
8-28 内淋巴中K+的积累
内淋巴正电位的产生和维持与蜗管外侧壁血管纹细胞的活动有关。研究发现，血管纹细胞内有大量活性很高的Na+ –K+ 依赖性ATP酶，它们具有钠泵的作用，依靠分解ATP获得能量，将血浆中的K+泵入内淋巴，同时将内淋巴中的Na+泵入血浆。由于被动转运的K+量超过Na+量，这就使内淋巴中有大量的K+积累，从而保持较高的正电位，同时也造成内淋巴中高K+低Na+的分布状况。
8-29 外毛细胞的声发射
现有研究表明，听感受器除了感觉声音刺激外，还有发射功能。发射功能是指耳蜗在一定条件下发射声音。耳声发射有时也会自发发生。这种声发射是通过毛细胞的主动机械性输出产生的。传出神经纤维的活动对外毛细胞形成了刺激，激活了其中的肌动蛋白，从而改变了毛细胞的机械特性，最终造成了声发射。 8-30 听神经的编码分析及听觉通路
(1)听神经的编码分析
? 听神经纤维发放冲动的频率特征:听神经纤维对不同频率的声音敏感性不同，因此在不同频率纯音刺激下，听神经纤维的反应阈值是不同的。每一条神经纤维都可以找到一个反应阈最低的纯声音频率刺激，此为神经纤维的特征频率(characteristic frequency，CF)。从听神经在基底膜上的起源部位看，那些特征频率高的神经纤维发源于耳蜗的底部，而特征频率低的神经纤维发源于耳蜗的顶部。
? 听神经纤维发放冲动的时间特性:毛细胞的换能装置使得其膜电位能在很大的频率范围内跟随其纤毛偏转，这使得相应的神经纤维上的动作电位发放也能在一定范围内跟随刺激声波(的振动)变化。尽管毛细胞感受器电位具有双向性，但只有在毛细胞除极化时相才有递质释放，因此听神经也只能在声音刺激的正时相才会产生，其他时相不会产生。所以听神经纤维发放冲动的活动曲线只相当于毛细胞的双向性感受器电位经半波整流后留下的半个波形。也就是说听神经纤维的活动仅在一定程度上保留声音刺激的时间结构，这种现象称为相位锁定(phase locking)。
? 声音频率的分析与编码:有关声音频率的编码大体上可归纳为两类，一类是部位原则，另一类是频率原则。部位原则认为，由于不同频率的声音可兴奋基底膜上不同部位的毛细胞，并引起相应听神经纤维的放电，因而听觉系统通过部位对声音频率进行编码。这种编码形式称部位编码(place coding)。频率原则认为，不同频率的声音引起听神经兴奋并发放冲动的频率不同。根据声音的频率，听神经通过发放不同频率的冲动来传递声音频率信息，这就是频率编码(frequency coding)。
? 声音强度与复合声的分析:当声音强度增大时，随声音强度增加，不仅单根神经纤维上的放电频率增加，而且在空间上活动的纤维数目也增多，因而中枢能感觉到声音强度也增强。
由于复合声波是由基音与不同频率的谐波所组成，而组成复合波的各个成分分别引起基底膜相应的部位发生反应，这些部分的反应传到中枢神经，也引起相应的中枢神经细胞反应并得到总和。中枢神经细胞反应的总和是中枢对复合声波进行分析的基础。
(2)听觉中枢通路
? 听觉通路上的主要神经核团:来自耳蜗听觉感受器的信号经听神经纤维(auditory nerve fiber)向中枢传导，听觉的主要核团有:
(a)耳蜗核(cochlear nucleus):位于延髓，是哺乳动物的第一级听觉中枢。
(b)上橄榄复核(superior olivary complex):位于脑桥。
(c)外侧丘脑系(lateral lemniscus):位于脑干的外侧，主要为上行听觉通路。
(d)下丘(inferior colliculus):是中脑四叠体中的一部分。
(e)内膝状体(medial geniculate body):位于丘脑，由腹核、内侧核和背核组成，腹核是传递听觉和处理听觉信息的主要核团。腹核中的细胞呈层状排列，有精细的音频定位(tonotopic localization)。感受高频的细胞位于内侧，感受低频的细胞位于外侧。
(f)听皮质(auditory cortex):听觉的高级中枢，由初级听皮质(primary auditory cortex)和次级听皮质、其他听皮质区域组成。
? 上行听觉通路(图8–20):来自听神经的传入纤维首先全部终止于同侧的耳蜗核。换元后从耳蜗核发出神经纤维大部分交叉到对侧上橄榄复核，再次换元后形成外侧丘脑系;小部分不交叉直接上行在同侧上橄榄复核换元，也有些不换神经元的神经纤维沿同侧外侧丘脑系上行。外侧丘脑系纤维可直接或经下丘换元后抵达内膝状体，换元后发出纤维投射到初级听皮质。由于上橄榄复核以上的神经通路接受来自双耳的听觉冲动，所以该水平以上一侧的通路受损不会产生明确的听觉障碍。来自下丘(中央核)的纤维按音频定位的排列方式投射到内膝状体腹核，换元后以同样方式投射到初级听皮质。
初级皮质位于颞叶上部(41区)，对低音组分发出反应的神经元分布在听皮质的前外侧，而对高音组分发生反应的神经元分布于后内侧。次级听皮质位于初级听皮质的周围带状区。其他与听觉有关的脑区还包括顶叶、额叶、颞叶等。听皮质的不同神经元能对听觉刺激的发生、持续时间、声音频率的各个参数，尤其是声音传来的方向做出不同的反应。
听觉皮质有类似于其他感觉皮质的功能柱的结构，不同深度的神经元具有相同的最佳频率，同时细胞按双耳反应特性作交叉性排列，具有类似于视皮质上的眼优势柱。
? 下行听觉通路:听觉系统中还有各种下行神经通路，对传入信号进行调制。从上橄榄复核发出的传出纤维分别到达耳蜗核及内耳的毛细胞，其作用是调节外毛细胞的活动，从而改变基底膜的特性，以影响内耳中的频率选择功能。源自上橄榄复核的传出纤维还可以影响到听神经纤维的脉冲发放，使之受到抑制。从初级听皮质发出的传出纤维，分别到达内膝状体、下丘等多个核团。
8-31 回声定位和声诱捕鱼
哺乳类和鸟类有高度精确的听觉机制，其中某些种类可以进化到回声定位(echolocation)，即动物发出高频声脉冲波，利用其回声来探测物体的方向、距离、大小和质地。这是一种声纳式的机能，在小蝙蝠和某些鲸类(包括大多数海豚和江豚)中得到高度发展。极少数的鸟类也具有这种机能。 蝙蝠发出超声波遇到昆虫，产生回声以跟踪追击昆虫，直至捕获昆虫。进行回声定位的蝙蝠在形态上和机能上都有如下特点:鼻内复杂的皱褶和鼻中隔可产生传声筒的效果;耳廓大，可收集更多的回声;鼓膜和听骨小而轻，有利于对高频率保真;在声音发出时听骨肌收缩以降低听觉的敏感性;血窦、结缔组织和脂肪组织将内耳和颅腔分开，以减少自己的声音从口腔传送到内耳。大脑的听觉中枢也特别发达。当接受一定波长的声音刺激时能激活一侧大脑，但也必将抑制对侧对应的中枢，以此加强两侧大脑感受的对比度，增强对回声方向的分析;当接受一次大声刺激之后，听觉系统能迅速恢复，在短时间内提高对刚刚听到的声音的敏感性，表现出超常的敏感性。这些机能有利于接收回声，并且不受其他蝙蝠发出的声音的干扰。
鱼类对水中各种声音的反应在行为上可有两种表现，一是趋向性，鱼类听到喜爱的声音或同种鱼的摄食模拟声，会从垂直、水平方向向声源集中。鲤鱼具有明显的趋声性，它可停留在发出同种鱼摄食声声源约3 m远处窥视，并作出寻食反应。另一种是逃避行为，例如鲐鱼(Scomber japonicus)听到长鳍鲸的声音或一些异常的声音，立即出现惊恐反应，逃离声源。在光诱捕鱼时，也常看到，鱼会因撞击船弦声的突然刺激立即游向深处，即使趋光性很稳定的鱼类也是如此。
声诱捕鱼是利用鱼类对声音的趋集反应，将鱼诱到预定的水域进行捕捞。常用的声诱法是模拟同种鱼类的摄食声。如鱼(Seriola quinqueradiata)在水温13?时食欲很低，当在水中播发该鱼摄食声时，可把50 m深的鱼诱集到15 m深的水层，大口吞食投入的饲料。此外，还可利用声音使鱼类产生恐惧，将鱼驱赶到预定的水域，或使鱼昏迷达到捕捞的目的。
8-32 其他动物的平衡器官
从水母到甲壳动物、软体动物的平衡器官称平衡囊(图8–21)。虾、蟹等甲壳动物的平衡囊位于触角基部、腹部的基部、尾肢、尾节上。乌贼的平衡囊在脑附近的软骨内。虾的平衡囊是由体表下凹形成的一个空腔，内有平衡石(statolith)，腔的周围有机械感受器细胞，细胞顶面有纤毛。平衡石是一些碳酸钙结晶(沙粒)，有时是平衡囊上皮分泌物，有时是从体外进入平衡囊内的。由于平衡石的密度比周围的液体大，因此当虾的身体向一侧倾斜时，平衡石就刺激到该侧平衡囊内的感受器(毛)细胞，使这些受刺激的细胞发放紧张性冲动，反射地引起附肢的运动，使动物恢复平衡。
8-33 前庭器官的反射
来自前庭器官的传入冲动，不仅引起运动觉、位置觉，还能引起各种姿势调节反射、自主神经功能改变和眼震颤等前庭反应。如当猫从高处跳下时，头后仰，四肢伸直，作准备着地的姿势;猫一着地，则头前倾，四肢屈曲。姿势的变化是直线变速运动姿势反射的表现。旋转变速运动可刺激半规管，反射性改变颈部和四肢肌肉的紧张性，以维持姿势的平衡，称旋转变速运动姿势反射。
鱼类可借助于侧线器官感受周围水流和表面波的刺激，而感受其他鱼类或敌害运动情况及还未触及的障碍物的位置，及时调整自己的躯体方位和运动方向。有些鱼类如鲤科鱼类具有趋流性，喜欢顶水游泳，就是侧线器官受水流刺激引起的行为反应(图8–22)。
8-34 前庭器官反射的中枢通路
(1)前庭脊髓束
? 由前庭外侧核发出外侧前庭脊髓束沿着脊髓下行，与控制肢体的运动神经元建立突触。? 由前庭内侧核上核和下核发出的内侧束在中线构成贯穿于脑干的内侧纵束，沿脊髓下行为前庭内侧束，与控制颈部和躯体肌肉的运动神经元建立突触联系。
(2)前庭小脑束
由前庭核下核和内侧核发出纤维投射到小脑，将前庭系统的感觉信息与小脑对运动的精细调节功能联系起来。
(3)前庭–眼系统
由前庭内侧纵束中上行终止于支配眼球运动的展神经核、滑车神经核和动眼神经核，再由这三对核团发出纤维控制眼球的运动(补偿性眼球运动)，以保持在头运动的时候，运动的目标始终能保持在视野的中央。
(4)前庭–丘脑–皮质
由前庭核发出少量投射纤维终止于丘脑腹后核，换元后再投射到体感皮质的前庭区。该部分可能与平衡和运动的有意识的知觉过程有关。另外，颞叶皮质和体感皮质臂区也可能接受前庭–丘脑的输入。 8-35 动物的嗅觉器官和嗅觉
昆虫的嗅感受器主要位于触角，其次为下颚须，其形状因种类而异。昆虫的嗅觉器官比人的灵敏度高。家蚕雄蛾对雌蛾的性外激素(蚕醇)的引诱浓度(刺激阈)为10,12 μg。昆虫化学感受器有高度特异性，如蚕蛾的嗅感受器只对蚕醇及其少数同类物质起反应。这种特异性反应使一个雄蛾在夜间能从几千米以外顺风找到一个雌蛾。菜花粉蝶能选择十字花科植物叶上产卵，也是由于叶中含有芥子油气味所引诱的。昆
虫有趋向气味来源习性，当刺激气味的浓度超过昆虫感受器敏感度时，便可使昆虫触角及口器运动，偶尔流出唾液，用口器摩擦或敲击其他部位等行为。当浓度再增加，便引起逃避运动。昆虫的许多行为都是受化学感觉支配，特别是社会性的昆虫，如蚂蚁群体中，各个体间的相互通讯主要通过分泌化学物质(信息素)。用信息素作寻食标记、报警、识别其他蚂蚁或死蚁并组织蚁群搬迁。
鱼类对水中的化学物质特别敏感，鲨鱼能对水中微量的血腥气味反应。鲑由于化学感觉和化学记忆能从几百千米以外海域中溯河洄游到原产卵场。嗅觉对于鱼类来说主要起远距离定位作用，被用来辨别食饵、分辨体嗅，分辨同类集群、对惊恐物质或驱逐剂反应、辨别水草、分辨浓度极低的化学物质、辨别方位。
高等脊椎动物的嗅觉敏感性差异很大。根据嗅觉的发达程度不同，敏嗅觉类动物有牛、猪、马、羊、狗等大多数家畜;鸟类(包括家禽)的嗅觉不发达;有些动物没有嗅觉，如某些水栖哺乳动物(鲸、海豚)，属无嗅觉类。
嗅敏度受温度、湿度、大气压及作用时间等外界因素及体内各种内在因素变化的影响。如湿度增大时，嗅敏度提高;正常体温时，嗅敏度最高;感冒时，因鼻黏膜肿胀，嗅敏度剧降甚至暂时丧失。 8-36 嗅觉信息的编码和嗅上皮的“气味图”
按基本特性相近，嗅质可分为7种:乙醚味、薄荷味、樟脑味、花卉味、麝香味、腐臭味和辛辣味。具有同种气味的物质，都具有共同的分子结构。每一种嗅细胞只对一种或两种特殊气味刺激发生反应，并且不同性质的气味刺激有专用的传入路径和投射终端位点。各种不同气味的感觉即是上述7种气味的不同组合，按其基本特性相近又可将这些嗅质归为几大类，如果香类、腐臭类等。
不同的嗅神经元对不同的嗅质有不同的灵敏度，对不同的嗅质或同一嗅质不同浓度神经元的放电频率、反应的潜伏期和持续时间都可不同。所以嗅觉信息可按专用的通道的模式进行编码。但每一种神经元对同一类嗅质中的几种嗅质都敏感，每种嗅质又都能兴奋相当数量的神经元，所以嗅觉的高分辨率显然不能仅仅依靠上述简单的编码模式进行。于是有了嗅上皮“气味图”(odor map)这一特殊空间编码模式的出现:不同嗅质虽然能兴奋相当数量的神经元，但它们在嗅上皮的空间分布是不同的，嗅觉信息因而能按兴奋神经元在嗅上皮的分布图进行编码。
嗅觉信息也有可能按时间模式进行编码。
8-37 嗅觉通路
(1)嗅球
嗅球是传递和处理嗅信息的初级中枢。嗅球的功能有:? 从嗅神经接收并处理由其传来的感受器神经元的信息;? 向前脑各部嗅皮质输送这些处理后的信息;? 从中脑和前脑的中枢通路得到指令以调节和整合嗅信息。
(2)嗅球对前脑的输出
从嗅球出来的神经纤维部分会聚成侧嗅束经过前脑底部达到初级嗅皮质(梨状叶)和杏仁核。在初级嗅皮质内交换神经元后，再投射到丘脑、下丘脑、杏仁核、眶内皮质，继而投射到眶前皮质和海马。有些通路还连接到下颞皮质区。
8-38 味蕾结构与味质
味蕾顶端由支持细胞长出的微绒毛和该类细胞分泌的黏稠液体覆盖。带有短的微绒毛的味觉细胞存在于支持下细胞之中，基底细胞在味蕾的底部，由周围的上皮细胞向内位移而成(图8–23)。味蕾中成熟的味觉细胞的寿命只有10 d左右，因此基底细胞便依次分化成感觉细胞加以补充。这是整个神经系统中，死亡的神经元可以由别的非神经细胞不断分化、补充的特例。味蕾中的感觉细胞不断地变换，可能与味蕾不断地与不同离子和分子接触的需要有关。
不同物质的味道差异可能与它们的分子结构有关。通常认为，NaCl能引起典型的咸味;无机酸中的H+是引起酸感觉的关键因素;苦味是最复杂的味觉，许多不同的物质都可以产生苦味，如盐类、某些有机酸类、氨基酸类、多肽、复合糖，一些有毒植物的生物碱的结构能引起典型的苦味;甜味的强弱与葡萄糖的主体结构有关。
8-40 味觉传入通路及功能
味觉细胞本身没有突起。在哺乳动物中它能与第?(面神经)、?(舌咽神经)和?(迷走神经)对脑神经建立化学性突触。
味觉中枢的第一级神经元位于延髓(脑)的孤束核(nucleus of the solitary tract)，味觉神经在该处建立突触。孤束核投射到丘脑腹后内侧核的小细胞建立突触。小细胞再投射到大脑颞顶叶前岛(anterior insula)和额叶的盖区(speculum)。
此外，大脑皮质还有一个“中枢”的神经元对视觉、味觉、嗅觉的复合刺激产生反应。滋味是心理物理学定义的一种由味觉、嗅觉信息综合地引起的知觉。此外，孤束核还经脑桥投射到下丘脑和杏仁核(amygdala)，这些投射可能影响厌食和其他与味觉相关的功能。
鱼类的味觉中枢较为特殊，来自体表、唇、口腔前部味蕾(统称外部味蕾)的传入(面)神经终止于延髓的面叶，面叶仅触发鱼类的摄食行为;而来自口腔后部、咽及食管上部味蕾(统称内部味蕾)的传入(舌咽、迷走)神经终止于延髓迷叶，迷叶专门触发鱼类吞咽行为。众所周知，鲶鱼(Lctalurus natalis)是凭味觉摄食的，因为切除了外面的嗅觉感受器，并不影响其摄食能力，在鱼还没碰到食物之前，味觉早已感受到了食物的位置。实验表明，当破坏面叶时，鲶鱼就不能准确判断食物的位置，并且不能咬住食物;但此时若将食物塞进鱼的口中，仍可引起吞咽食物。当破坏延髓背面的迷走叶，鱼就不会吞咽食物;而对判断食物位置和选择食物的能力没有任何影响。
8-41 鱼类的其他感觉
鱼类的皮肤除具有触压觉、温度觉、痛觉外，还有些特殊的感觉功能。
(1)一般化学感觉
鱼类的皮肤及口咽腔表皮内分布有许多对化学物质敏感的孤立的化学感受器。它们是一些分散的单个细胞，与味蕾的各类感受器细胞有相似的结构，脊神经末梢与其有广泛的联系，能对化学刺激产生反应。 (2)茂氏细胞
茂氏细胞((Mauthner cell，简称M细胞)是硬骨鱼类和两栖类延脑的一对大神经元(图8–25)，其细胞体上有许多突触小体，它们大多来自第?对脑神经。每个神经元有一巨大的轴突分布到对侧发达的纵走尾肌中。听神经收集的外界声波振动刺激可由该轴突传递到尾部肌肉，产生惊吓或逃跑反应。但M细胞的功能还有待深入研究。
(3)电感受器
电感受器是一种能接受外界微弱电流并产生传入冲动的特殊结构。电感受器由侧线感受器衍变而成，这些鱼的侧线系统有一特殊的壶腹结构，是体表内陷的一个小管，管底膨大，管中充满导电率很高的液体，瓶底有电感受器(eleceroreceptor)细胞。电受器细胞顶端有极细的纤毛，漂浮在液体中(图8–26)。这种壶腹样的结构对低频电场十分敏感，可以觉察到10,5 V的电流。可检测它们自身产生的用于电定位(electrolocation)的电场变动，或检测外源的由其他发电鱼类产生的电信号。
鱼类对外界电场和电脉冲刺激产生的反应受神经中枢的调控。电感受器把接受到的信息通过侧线神经传到小脑和延髓，经过分析与整合发出指令传出到达效应器产生相应反应(图8–27)。有些没有发电器官的鱼类，因有电感受器装置，能感受其他鱼类的肌肉(如呼吸肌)运动所产生的微弱电流(动作电位)，例如鲽鱼在不到15 m的地方游过时，鲨鱼能轻易地发现它，并将其捕捉。将一个小型发电装置藏在沙里使其发放和鲽鱼呼吸动作所产生的相似的微弱电流(约4 μA)，鲨鱼经过时会不顾一切地翻开泥沙，试图捕捉这个假猎物。
(4) 气鳔与浮力
因为鱼的骨骼和肌肉的密度较大，所以鱼体的密度比水的大。鱼类在水中保持浮力，可以依靠疏松的软骨及肝中较丰富的脂质(软骨鱼类)和气鳔(硬骨鱼类)。
硬骨鱼类可以通过改变气鳔的体积，在不同的水层中来调节自身的体重，保持与周围水的密度一样，从而使鱼体不费力气地停留在水的各层，鳔起到流体静力器官(hydrostatic organ)的作用。 鳔通常由消化管前部发展而来。许多鱼类还保留与消化管相通的鳔管，称为管鳔(或开鳔)鱼类(physostomi);有的鳔管退化消失，称为无管鳔(或闭鳔)鱼类(physoclisti)。开鳔鱼类(如大麻哈鱼)可以在水面吞饮
空气，通过鳔管把空气送入鳔内;也可以通过气鳔周围的肌肉收缩，经鳔管把空气排出。闭鳔鱼类主要通过特殊的气腺(gas gland)使气鳔充满气体，而由位于气鳔背侧、血管十分稠密的卵圆窗将气体重吸收而移去;有些鱼类还形成由膈膜分隔的气鳔后室，专门对气体进行重吸收。
鱼类要在一定的水层中保持中性浮力，就要使气鳔有稳定的体积。气鳔具有弹性并可以压缩，当鱼下沉时，水的压力增加，气鳔会放气体积减小，结果鱼变得较重而下沉。如果鱼要停留在某一水层，就必须适当增加鳔内气体。相反，鱼上浮时，水压力减小，气鳔吸气膨胀，体积因之增大，结果鱼变得较轻而浮于水面，鱼要停留在某一表层水中必须移去一部分气体。鱼体的相对密度为1.076，如果鱼类在淡水(相对密度1.000)和在海水(相对密度为1.026)保持平衡则必须将鳔的容积分别增加到占身体体积的8.5%和5%。以调节鳔内气体适应不同深度的方法，在缓慢升降时较为有效，而对于急剧的升降则完全没有作用，甚至是一种妨碍。
气鳔内的气体主要是O2、CO2和N2，这些气体主要来自水中，它们通过血液循环进入气鳔内。氧在水中的分压大约是20 kPa，气鳔壁虽可膨胀但其结构十分致密，气体不可渗透，即便是卵圆窗和气腺，因其有一层富含鸟嘌呤的结缔组织，使其对O2和CO2的渗透性显著降低。
气鳔中气体的出现，有赖于气腺对来自水中(氧)气体的浓缩和气腺上密集排列的毛细血管网及其中的逆流倍增系统的功能(图8–28)。?气腺的毛细血管网内缺乏三羧循环的酶，只能进行糖酵解，因而耗氧量相对减少。另外，腺细胞内有碳酸酐酶，二者都能促进NaHCO3释放CO2，使血液的pH明显降低，血液渗透压升高;由于pH较低和CO2增加，氧与Hb亲和力下降(Bohr效应)，血红蛋白的最大氧饱和度也降低(Root效应，见第4章)，从而使O2从氧合血红蛋白中释放出来。由于血液渗透压升高，使O2在血浆中的可溶解性也降低，这二者都使血液中的PO2(氧分压)增高，氧很容易由血液扩散到气鳔内。?气腺毛细血管网中，由于动脉端和静脉端毛细血管血流方向相反，静脉血中含有较多的乳酸和游离的O2，因而可以向动脉血中扩散。动脉血可带着较多的乳酸和O2到达气腺的上皮中。由于乳酸盐等进一步增加，pH降低，O2分压继续增加，氧扩散到气鳔内。? 由于H+增加，使O2从氧合血红蛋白中释放出来的作用进行得很快(半衰期仅50 ms)，而O2和血红蛋白的结合要慢得多(半衰期10,20 s)。因此，当血液流经毛细血管网的静脉端时，释放出来的O2在短暂的时间内不会再与血红蛋白结合。但流经毛细血管网的血流量对氧气释放到气鳔内有一定的影响。如果动脉和静脉毛细血管的血流缓慢，血红蛋白就有可能在静脉毛细血管中再与氧结合，使输送到气腺上皮中的氧减少。所以输送到气鳔的血液流量增加，将提高氧的释放量，反之，将使氧释放量减少。
此外，气腺上的毛细血管网中血管的长度和鱼类生存的水层深度有一定联系。如生活在2 500 m深水中的鱼类，微血管长度为4,12 mm，而生活在水深5 000,7 000 m的鱼类为15,25 mm，因此，毛细管的长度和“逆流倍增”系统的氧气扩散与释放的效率是直接相关的。气鳔调节鱼体的浮力受交感和副交感神经的支配，迷走神经刺激气体的分泌，交感神经抑制气体分泌。气体的吸收，主要是鳔中的气体张力高于血液中的气体张力，因而引起扩散作用。卵圆窗的肌肉也是由迷走神经和交感神经支配，切断迷走神经，卵圆窗关闭，但交感神经的作用尚不清楚。
气鳔亦能辅助鱼类感受声波和发声。许多鱼类可利用肩带击打气鳔附近的体壁，起到类似鼓的作用而发声;石首鱼科鱼类气鳔中有肌肉，它们能进行高频收缩，以振动鳔壁发出似击鼓声，气鳔收缩时也能产生声音。鳔在某些鱼类中也有呼吸作用。
8-42 运动单位的类型及其参与肌肉张力的调节
(1)运动单位的类型
同属一个运动单位的所有肌纤维都具有同样的生理和生化特性，因而根据运动单位的收缩速度、收缩时所达到的最大张力和发生疲劳的速率，可将它们分为三种类型运动单位:? 快速收缩易疲劳型;? 快速收缩抗疲劳型;? 慢速收缩抗疲劳型。这三种类型的运动单位在大多数肌肉中都有，但在某一特定的肌肉中它们的比例可能有所不同。如姿势的维持，由于要长时间地保持一个恒定的收缩张力，故在这类肌肉中慢速收缩抗疲劳型运动单位较多，相反，导致快速眼球运动的眼外肌中则几乎全是快速收缩易疲劳型运动单位。
(2)运动单位与肌肉张力的调节
从运动单位角度看，神经系统可通过两种办法来增加肌肉收缩的张力:? 增加单位时间里运动神经元发放动作电位的数量，即提高运动神经元的发放频率，发放冲动的速率越高，运动单位产生的张力越大，这一机制被称为运动单位的发放速率调制现象。在第1章曾讲过，运动神经元发放冲动的频率增加，可使相继发生的肌肉收缩总和起来，产生不完全强直收缩和完全强直收缩。? 激活更多的运动单位参加到肌肉收缩的活动中来。激活的运动单位越多，肌肉收缩产生的张力就越大，这一机制称为运动单位募集。运动单位的募集遵循“大小原则”，即当一个运动神经元池(系指脑和脊髓中的运动神经元核团)被来自高级中枢下行突触前神经成分所激活时，体积最小的、低阈值的运动神经元先被激活;随突触传入强度的增加，胞体较大的运动神经元依其胞体的大小依次被激活。在这种原则下，慢收缩抗疲劳的神经元总是最早被募集，而快速收缩易疲劳的神经元总是最后被募集。如在猫腓肠肌中用来维持站立姿势的慢速收缩抗疲劳运动单位首先被募集，而且经常被使用。动物行走时，包括慢步行走和奔跑时快速收缩抗疲劳运动单位被募集使用;而快速收缩易疲劳运动单位虽然能提供更大的张力，但这些张力仅仅在剧烈运动时才被调用，如飞跑和跳跃中才偶尔被使用。
依运动的剧烈程度运动单位被有次序地募集的意义:可以使调节肌肉张力的任务简单化。由于这一机制的存在，高级中枢不必具体考虑要用多少个运动单位，用什么样的运动单位，以及将哪些运动单位组合起来才能产生一个特定的肌张力，只需在整体上决定将多少突触驱动力释放到特定的运动神经元池上去就可以了。
需要指出的是，运动单位的顺序性募集机制和频率调节机制两者并不是互相排斥的，当一个运动任务需要缓慢地增加肌张力时，运动单位就会逐步地被募集，而它们的发放频率也会同时逐渐地增加。 8-43 脊髓中运动神经元的排列
在脊髓中，支配某一特定肌肉运动的运动神经元集结成群，构成了运动核(motor nucleus)。支配不同肌肉运动的神经元在脊髓中有一定的排列规律:? 支配最靠躯干中轴和肢体近侧部位的运动神经元位于脊髓腹角的内侧，支配肢体远侧部(手、足)肌肉的运动神经元位于脊髓腹角的外侧，称近侧–远侧规律(proximal–distal rule);? 支配屈肌的运动神经元位于脊髓腹角的背侧，支配伸肌的运动神经元则位于屈肌运动神经元群的腹侧，为屈肌–伸肌规律(flexor–extensorrule)(图8–29)。
脊髓运动神经元的躯干中轴肌肉群(姿势肌)和近侧肌肉群(特别是腿部的伸肌群)主要被用于保持躯体的平衡和姿势;远侧的肌肉群(特别是上肢的肌肉)与进行操作活动的功能特性相适应。
在脊髓中还有大量的中间神经元，它们散布在脊髓灰质的所有区域，是各种感觉传入冲动和高级中间神经元上可以有多种下行和外周传入的冲动会聚，介导着多种反射活动。和运动神经元一样中间神经元的分布也有一定的规律:位于脊髓中间区最内侧的中间神经元投射至双侧躯干肌肉的运动神经元;稍外的投射到同侧，控制肢体近端肌肉的运动神经元;最外侧是投射到同侧支配肢体远侧端肌肉的神经元。
感觉神经元、中间神经元和运动神经元构成了脊髓的神经环路。这些环路保证了在脊髓与脑脱离关系时仍能完成简单的基本的反射活动。
8-44 动物躯体运动的力学装置
整体情况下，要产生躯体的屈、伸运动至少要有两组相颉顽的肌肉群，如屈肌群和伸肌群，在收缩的强度、速度和顺序上既相互制约，又高度协调才能达到;而这些运动均是以骨骼为杠杆，关节为枢纽，肌肉舒缩为动力，构成一套完整的力学装置为基础的。
骨骼、关节和肌肉在机体的不同部位形成各种形式的杠杆，有的有利于产生快速和大幅度的位移，有的则有利于产生较小的力量来承受较大的质量。一般有3种形式的杠杆:
? 支点在重力(地心引力)点和力点之间，多见于保持平衡活动的部位。如头部所受的重力为重点，颈背部肌肉收缩时产生力点，而寰枕关节为支点，形成一个双臂杠杆，以维持头和颈部的平衡(图8–30左)。
? 力点在重点和支点之间，多见于完成快速运动的部位，如肘关节曲屈时，肘关节是支点，臂二头肌在前臂的固定处为力点，肘关节以下的臂所受的重力为重点，此时重臂长于力臂，只要肌肉收缩就可以引
起前臂屈曲运动(图8–30右)。
? 重点在力点和支点之间，多见于肢、蹄着地负担体重的部位，如后蹄着地时以蹄为支点，跟骨为力点，体重为重点，此时力臂长于重臂，肌肉收缩只要产生较小的力，就可以负担较大的体重(图8–30中)。
在动物四肢常通过负重组合式杠杆，以获得一个较大的机械效益。如图8–31表示一个膝关节，其支点在一端，力点作用到关节上(在股骨和胫骨之间)，重点作用到另一端，在这样情况下，当腿伸直时，负重是纵向的(重臂几乎为零)，因此只需要比较小的肌肉收缩力(股四头肌收缩，或股四头肌与腓长肌同时收缩)就可以支撑身体的质量。
8-45 搔扒反射是节律性运动
搔扒反射是节律性运动的一个典型例子。在发生搔扒反射时，动物先将后肢移到发痒的部位，然后在瘙痒的部位进行节律性的搔扒运动。与此同时发生的交叉伸肌反射则维持动物于站立状态，使得动物可以在皮肤的瘙痒处完成一连串的搔扒运动。在进行搔扒反射时，在脊髓同时存在着伸肌环路和屈肌环路，而在这两个环路中以交互神经支配的方式进行着交互抑制作用，而使伸肌的紧张性收缩时时被屈肌的紧张性收缩所打断，同样，屈肌的紧张性收缩时时被伸肌的紧张性收缩所打断，最终使得伸肌和屈肌产生交替的节律活动(图8–32)。
抑制性中间神经元将伸肌运动系统和屈肌运动系统联系在一起
8-46 关于牵张反射中肌梭的敏感性
如果深入考虑肌梭的梭内肌纤维和梭外肌纤维平行排列关系的功能意义，就会发现一个有趣的问题:当肌肉缩短时，引起梭内肌纤维放松，势必导致肌梭感受终末(Ia类和?类传入纤维)停止发放冲动，即在肌肉发生收缩活动的同时，肌梭将不能执行向中枢传递肌肉长度及其变化的信息的任务，肌肉的收缩有可能中断(图8–33、图8–34)。这种情况在现实中并不会发生，机体可以从不同的几个层次来调整肌梭的紧张性以保证肌肉的长度和长度变化的信息能及时被检测出来。
(1)来自肌梭的收缩
图8–35的实验表明:在刺激α运动神经元的同时也刺激了γ运动神经元。γ运动神经元的兴奋引起梭内肌纤维两端的收缩，因其收缩力量不够大，不足以引起整块肌肉收缩，但却可以增加对梭内肌中央感受器的牵拉，使梭内感受器对牵拉刺激的敏感性增高，能够继续感受肌肉的长度及其变化，并向中枢传递信息，以保持肌肉持续的收缩活动。
(2)来自高级神经中枢的影响
事实上，Ia类和?类传入纤维进入脊髓后除引起梭外肌收缩外，还通过侧支和中间神经元接替上传到小脑和大脑皮质感觉区，然后再由高位神经中枢发出后(下)行纤维到γ运动神经元，通过使γ运动神经元的活动加强，从而维持了肌梭的敏感性，使肌梭的传入冲动不致减少，牵张反射才得以持续进行，以适应控制姿势的需要。
除了主要运动区外，人和猴还有运动辅助区，位于两半球纵裂的内侧面壁，扣带回沟以上，4区之前的区域。对四肢运动的支配一般是双侧性的，若此区受到破坏，双手运动协调性下降，复杂的运动显得笨拙。另外，前面提到的第一、第二体感区与运动也有关。
在大脑皮质运动区，也可看到类似于感觉皮质区的纵向柱状排列，从而组成运动皮质的功能单位，称为运动功能柱(motor column)。一个运动功能柱可控制同一关节的几块肌肉的活动，而一块肌肉可接受几个运动功能柱的控制。
8-48 中枢神经系统等级式、平行管理模式的生理意义
运动系统的等级性结构特点:? 允许低级中枢自主地产生反射活动，而高级中枢不做过多的参与。如在没有高级中枢参与的情况下，脊髓也能控制一些比较简单的反射性运动。即便一些复杂的运动，高级运动中枢也只需给出一个一般的运动指令，而不一定要对运动的所有细节一一做出具体的指示。? 运动系统的平行组构方式又允许高级中枢能直接地控制该系统的最低一级神经元的活动。如大脑皮质运动区既可通过脑干调节脊髓神经元的活动，也可以通过皮质脊髓束直接兴奋脊髓运动神经元和中间神经元而发起运动。? 运动系统平行组构方式允许某些运动能相对独立地接受到这三个不同水平运动中枢的控制，因而当某一
运动中枢受损时，别的运动中枢能够替代受损中枢的控制功能，实现运动功能的代偿。如当脑干呼吸中枢或下行呼吸通路受损，大脑皮质可以替代脑干呼吸中枢控制呼吸运动。? 运动系统平行组构能允许脑同时控制不同的下行运动通路，完成一个复杂的运动行为活动。如在脊髓介导的反射性运动，或脑干在控制一个姿势反射的同时，大脑皮质运动区也可发起和控制更为复杂的随意运动，保持动物机体的身体平衡。 8-49 新纹状体
和其他中枢核团一样，新纹状体也由投射神经元和中间神经元组成。中型棘神经元(mediurm spiny neuron，MSN )是新纹状体内主要的信息整合和传出神经元。它接受来自大脑皮质、黑质的纤维(属内源性)和丘脑的纤维(属外源性)，并与内部的中间神经元联系。MSN的轴突构成纹状体的传出投射系统，MSN的作用是整合来自大脑皮质和黑质的传入信息，并将其传递到苍白球和黑质。中间神经元可能发挥局部性调节作用。
基底神经节接受大脑皮质纤维的投射，其传出纤维经丘脑前腹核和外侧腹核接替后又回到大脑皮质，从而构成基底神经节和大脑皮质之间的回路。这一回路可分为直接通路和间接通路(图8–36)。 8-50 小脑的运动神经核团
小脑由外层的灰质、内部的白质和位于白质的3对小脑深部核团(顶核、间位核和齿状核)组成。小脑被一些平行的横向沟分成若干个小叶，其中有两条最深的横沟，将小脑前后划分为前叶、后叶和绒球小结。小脑还被两条纵行的沟纵行分成中央的蚓部和两侧的小脑半球。
从功能上可将小脑划分为3个不同功能区:前庭小脑(vestibulocerebellum)、脊髓小脑(spinocerebellum)和皮质小脑(cerebocerebellum)。它们分别接受前庭、脊髓和大脑皮质的传入，并分别发出传出纤维，相应地主要投射到前庭、脊髓和大脑皮质(图8–37)。
8-51 大脑皮质,脊髓小脑在躯体运动的协调作用和小脑的共济失调
在大脑皮质运动区向脊髓发出指令的同时，也通过锥体束的侧支向脊髓小脑送去运动指令的副本(称为内源性反馈信息)。同时来自外周皮肤、肌肉和关节感受器的本体感觉信息的传入，以及视、听觉的传入，通过脊髓–小脑束全都传到脊髓小脑;脊髓小脑能将来自两方面的信息(外源性反馈信息)进行比较，发现运动执行情况与运动指令之间的误差;然后一方面向大脑皮质发出校正信号，修正皮质的活动，使其符合当时运动的实际情况;另一方面通过脑干–脊髓下传途径调节肌肉的活动，纠正运动的偏差，使运动按皮质预定的目标和轨道准确进行。当脊髓小脑发生病变，部分受损时，机体会丧失利用外反馈信息协调运动的能力，使随意运动变得笨拙而不准确，称为小脑共济失调(cerebellar ataxia)。
大脑皮质的一部分传出纤维经脑桥换元后，投射到对侧皮质小脑，后者发出纤维经齿状核换元直接投射或经红核小细胞换元后投射到丘脑腹外侧核再返回到大脑皮质运动区。另一类纤维投射经红核小细胞换元后，发出纤维投射到下橄榄核的主核和脑干网状结构。投射到下橄榄核的纤维，换元后经橄榄小脑束返回皮质小脑，形成小脑皮质的自身回路。投射到脑干网状结构的纤维，还原后经网状脊髓束下达脊髓(图8–38)。
皮质小脑被认为参与运动计划和编程，而脊小脑则参与运动的执行;基底神经节在运动计划和发起中起作用
8-52 鱼类的自主神经
有人认为，在鱼类很难区分交感、副交感神经系统，是因为鱼类的自主神经系统还处于低级阶段，双重神经支配也不够完善。板鳃类的交感链尚不齐全，节后纤维可从交感神经节分布到消化管和动脉管壁。在消化管管壁和心脏上分布着许多迷走神经。真骨鱼类已具备明显的交感神经链，贯穿于体内，向前延伸到三叉神经，其节后神经可通过交通支到达皮肤;副交感神经经第?对脑神经的内脏支分布到食管、胃、肠及附近的一些器官、鳔和静脉窦上。在植物神经的功能方面，有些鱼刺激迷走神经引起胃或肠收缩，而对有些鱼刺激内脏神经可引起胃或肠、幽门垂和直肠收缩。没有发现植物神经对消化腺分泌的影响。对心血管方面，迷走神经有紧张性抑制作用，交感神经的作用尚不清楚。
8-53 下丘脑摄食中枢活动的神经体液因素
大脑的杏仁核也参与摄食行为的调节。破坏猫的杏仁核，动物可因摄食过多而肥胖，电刺激杏仁核的
基底外侧核群可抑制摄食活动;同时记录杏仁核的基底外侧核群和下丘脑外侧区(摄食中枢)的神经元放电，发现二者的自发放电呈相互制约的关系，即当一个核内的神经元放电增多时，另一个核内的神经元放电减少。因此，推测杏仁核的基底外侧核群能易化下丘脑饱中枢并抑制摄食中枢的活动。此外，刺激膈区也可易化饱中枢和抑制摄食中枢的活动。
有多种神经递质和激素及其受体参与摄食行为的调节。神经肽Y注入下丘脑可使摄食增加，抑制其合成，可使摄食减少。增食因子(orexin)、黑色素浓缩激素(melanin–concentrating hormone)能增加摄食。瘦素(leptin)是一种能减少摄食和增加能量消耗的蛋白质类激素，主要由脂肪细胞产生，经血液循环到达全身各组织。瘦素基因(0b)缺陷的小鼠(ob/ob)，由于缺乏瘦素而食欲大增，并产生肥胖和糖尿病。同样，瘦素受体基因(ob–R)缺陷的小鼠(db/db)也产生肥胖，但其外周血中瘦素水平很高。下丘脑中能减少或抑制摄食的因子还有阿黑皮素原的衍生物、可卡因和苯丙胺调节转录物以及促肾上腺皮质素释放素(CRH)、儿茶酚胺、脑–肠肽(包括促胃液素释放肽、胰高血糖素、生长抑素和缩胆囊素)、葡萄糖等。(见光盘资料5–5动物的摄食方式、摄食习性及其调节)
8-54 下丘脑对性行为和情绪的调节
(1)性行为
刺激大鼠、猫、猴等动物的内侧视前区，雄性或雌性动物均会有性行为表现;破坏该部位，则出现对异性冷漠和性行为丧失。在该区注射性激素也可诱发性行为。此外，杏仁核以及基底外侧核具有抑制性行为的作用，而杏仁皮质内侧区具有兴奋性行为的作用。性行为的发生往往不是一个个体的单独发生的行为，必须是一对同种异性共同进行的行为。神经系统的性功能调节是以性激素为基础的，只有在性激素的作用下，神经系统才具有性感、性欲和进行性行为。常因血液中的性激素的水平升高，而引发性行为，但性行为终止时血液中的激素水平未必下降，这是性行为的消除并不依赖于引发性行为动因(性激素)的另一个特征。
(2)防御反应(defense reaction)
包括恐惧、发怒两个方面。动物恐惧(rear)时表现为出汗、瞳孔扩大、蜷缩、左右探头和企图逃跑;而发怒(rage)常表现出攻击行为。引发防御反应的环境刺激一般都为对动物机体或生命可能或已经造成威胁和伤害的信号，动物经过快速判断做出选择，或逃避，或进行格斗。在间脑上部切除大脑的猫，只要轻微的刺激，就能激发强烈的防御反应，出现张牙舞爪等一系列交感神经系统兴奋亢进的现象，称为假怒(sham rage)。整体动物在平时，下丘脑的这种活动受到大脑皮质的抑制而不易表现出来，切除大脑后则抑制被解除，防御反应就表现了出来。防御反应中枢主要在下丘脑近中线两旁的腹内侧区，刺激清醒动物的此区也可出现防御行为。电刺激下丘脑外侧区，动物出现攻击厮打行为，刺激下丘脑背侧区，则出现逃离行为。
参与情绪调节的脑区还包括边缘系统和中脑等部位。如刺激中脑中央灰质背侧，能引起防御反应。刺激杏仁核外侧部，动物出现恐惧和逃避反应;而刺激杏仁核内侧部或尾部，则出现攻击行为。 (3)愉快和痛苦
愉快(pleasure)是一种积极的情绪，通常由满足机体需要的刺激所引起，如饥饿时等到美味的食物;而痛苦(agony)是一种消极的情绪，一般由伤害躯体和精神的刺激或因渴望得到的需求不能得到满足而产生的，如严重的创伤、饥饿和寒冷等。实验表明在中枢存在着奖赏和惩罚两个系统，鼠的奖赏系统(reward system)位于腹侧被盖隔区到伏隔核的多巴胺能神经通路，刺激该区能引起动物自我满足和愉快感。若给予动物多巴胺能受体激动剂，能增加动物一遍又一遍地进行自我刺激的频率，若给予与多巴胺能受体颉顽剂，进行自我刺激的频率减少。鼠的惩罚系统(punishment system)位于丘脑后外侧、中脑背侧和内嗅皮质等处，刺激这些部位引起动物退缩或回避等行为表现。
一切行为的发生都是在一定欲望的驱使下产生的，几乎所有行为都在某种程度上与脑内的奖赏系统和惩罚系统有关，一定的行为往往是通过减弱或阻止不愉快的情绪，并通过奖赏的作用而激励的。
在情绪活动中常伴随发生一系列生理变化，主要由自主神经系统和内分泌系统活动的改变而引起。多数情况下表现为交感神经系统活动的相对亢进，如防御反应时可出现骨骼肌血管舒张、皮肤和内脏血管收
缩、血压升高和心率加快等交感活动的改变。这些变化可使各器官的血液得到重新分配，使骨骼肌获得比较充足的血液供应。但在有些情况下，情绪的生理性反应也可表现为副交感神经系统活动的相对亢进，如食物性刺激可引起消化液分泌和胃肠运动的加强;性兴奋时，血管舒张;悲伤时则表现为流泪。
情绪性生理反应可涉及许多种类的激素，如创伤、疼痛等引起的痛苦、恐惧和焦虑等情绪反应时，血液中的促肾上腺皮质激素和糖皮质激素的浓度明显升高，肾上腺素、去甲肾上腺素、甲状腺素、生长素和催乳素等浓度也明显升高。情绪的波动可引起性激素分泌紊乱。
8-55 现代脑成像技术
计算机断层成像技术(computerized tomography，CT)、正电子发射断层成像技术(positron emission
tomography，PET)和磁共振成像技术(magnetic resonance imaging，MRI)的使用使神经科学家能够在无创伤的情况下观察大脑的结构和功能，使临床医学能够对大脑损伤或病变部位进行精确的定位。 (1)计算机断层成像技术(CT)的原理
位于头颅的一侧发射出一串平行的X射线光束，X射线束透过头颅后，由位于头颅的另一侧的X射线检测器接收。X射线源和X射线检测器可围绕头颅做180?旋转。在每个旋转的角度上都可以得到一组反射密度测量数据。CT的空间分辨能力就取决于这些反射束交叉位点之间的距离大小。计算机把成千上万个不同位点的反射密度数据换算成对应的衰减系数，然后根据每个位点的衰减系数的大小用不同的黑白亮度显示出来。所有黑白亮度不等的位点聚在一起，形成一个点阵，就构成我们通常见到的一张CT图像。由于脑组织对X射线的吸收程度不同，因此，CT图像使大脑某一断面上的解剖细节清晰可辨。如果在静脉中注射碘化放射物，可以增强脉管系统或血–脑液屏障功能障碍的脑区的反射密度对比。利用这一原理，CT可以有效地显示脑血管、肿瘤和脓肿。
(2)正电子发射断层成像技术(PET)的原理
大脑神经元活动需要以葡萄糖作为能量供应。大脑某一区域的活动越强，葡萄糖消耗就越多，局部脑血流量也越大。2–脱氧葡萄糖(2–deoxyglucose)是葡萄糖的一种类似物，能像葡萄糖那样被神经元吸收，并能被己糖激酶磷酸化产生脱氧葡糖–6–磷酸。与葡萄糖的磷酸化产物葡糖–6–磷酸不同，脱氧葡糖–6–磷酸不能进一步代谢，这样脱氧葡糖–6–磷酸就能在活动的神经元内积累起来。如果用同位素(常用18F)标记2–脱氧葡萄糖，就有可能应用PET来检测大脑局部区域对葡萄糖的利用情况，从而知道局部脑区的功能活动状况。此外，神经递质、神经递质前体以及能与受体进行特异结合的其他物质，都可以用同位素进行标记，用来检测脑内受体的分布和活动情况(如观察脑内多巴胺受体的分布)。 (3)磁共振成像技术(MRI，FMRI)的原理
当大脑某一区域的神经活动增强时，该区域的血流量也随之增加。在时间上，这种血流量的增加总是发生在氧消耗量增加之前，因此，静脉血中的血氧浓度在短时间内升高。血氧浓度的升高使得大脑这一区域的磁共振信号显著地强于其他非活动的区域。应用快速MRI技术，可以把这一短时间内发生的事件检测出来。应用FRMI技术我们可以在无任何损伤的情况下，观察大脑的结构细节和功能过程。 8-56 脊椎动物脑的进化
在动物进化过程中，无脊椎动物的脑还没有发展到居于神经系统的主导地位的程度。随着动物的进化脊椎动物的脑在结构上和功能上逐渐趋于完善，特别是大脑和小脑的发育。小脑由菱脑分化而来;大脑从端脑分化而来，它们逐渐在神经系统中占主导地位。在生物进化中，大脑最初只是一对平滑的突起，和脊髓一样，灰质位于内部。嗅叶的感觉神经元通过大脑与后面的神经元联系，大脑本身的协调作用也不显著，现代鱼类的大脑基本上处于这一阶段上。两栖类大脑中的灰质增多，其中的突触的数量也大为增加，它可以对嗅感受器和其他感受器传来的信息加以协调、整合。从两栖类开始原来位于大脑内部的灰质逐渐外移，最后覆盖在大脑表面，形成大脑皮质。两栖类和大多数爬行类的大脑仍以嗅觉为主要功能。在高等爬行动物的大脑出现了新大脑皮质，哺乳动物的大脑由高等爬行类的大脑进化而来，原脑、古脑缩小，新脑发育。在低等哺乳动物，新皮质已几乎覆盖了前脑的表面。人的大脑皮质几乎全是新大脑皮质，原来的脑皮质被包在新脑皮质之中，大脑皮质体积增大，表面出现沟、回，功能越来越重要，成为调节动物高级活动的最高级中枢。鸟类的脑由原始的爬行类的脑进化而来，所以鸟没有新皮质，与哺乳动物的脑差异很大。鸟的
大脑表面光滑，没有哺乳动物那样的沟、回;鸟类的嗅觉退化。鸟类的大脑顶部很薄，但其底部纹状体发达，是高等功能活动的中枢(图8–39)。
8-57 觉醒状态
觉醒状态有行为觉醒(behavioral arousal)和脑电觉醒(electroencephalographical arousal)之分。前者表现为对新刺激发生探究行为;后者主要表现为脑电呈现去同步化快波。在动物实验中观察到行为醒觉的维持可能与中脑黑质多巴胺能系统、脑桥蓝斑上部去甲肾上腺素能系统有关。而脑干网状结构乙酰胆碱能系统的作用则是调节去甲肾上腺素能系统的脑电觉醒作用。
8-58 动物的动力定型及其在生产中的意义
在役畜调教中如果将一系列的不同信号以固定不变的顺序、时间间隔和时间，或与非条件刺激结合，或不结合，经过长期、耐心、细致的训练，就能形成一系列的条件反射。只要出现该系列刺激中的第一个刺激，这一套的条件反射就能相继发生。这种由一系列刺激，使大脑皮质的活动形成定型化，称为动力定型(dynamic stereotype)。生活中的所谓“习惯成自然”或“熟能生巧”就是动力定型的表现。
动力定型是调教动物的生理学基础。根据这个原理，人们可利用有规律的饲养管理方法，建立所需要的各种动物的动力定型，以利于动物生产。如使乳牛养成良好的挤乳习惯，可增加产乳量;使猪养成定时定位的排粪、排尿习惯，利于猪舍清洁;将野生动物(如梅花鹿等)驯养成为家养性动物等。
动力定型的形成过程中，只需消耗大脑皮质细胞很少的能量，就可完成复杂的工作。如果环境改变，就需改变旧的定型，动物也必须消耗较多的能量才能重新建立新的定型。例如，采用定质、定量和定时的饲养方法饲喂动物时，一定时间后动物可建立起巩固的动力定型，有助于消化系统活动高效有序地进行。如果骤然改变饲喂，使原来的动力定型破坏，就可能引起消化功能的障碍。
8-59 记忆
(1)记忆的方式
根据记忆的储存和回忆的方式可分为陈述性记忆(declarative memory )和非陈述性记忆(nondeclarative memory)。
? 陈述性记忆:也称清晰记忆(explicit memory)，它与知觉或意识有关，依赖于记忆在海马内侧颞叶及其他脑区内滞留的时间。陈述性记忆又可分为情景记忆(episodic memory)和语义记忆(semantic memory)，前者是记忆具体一件事物或一个场景，后者是记忆为文字和语言。
? 非陈述性记忆:也称反射性记忆(reflexive memory)，它的形成和读出并不依赖于认知或意识，也不涉及记忆在海马的停留时间，但需要经过多次重复进行才逐步形成。这种记忆主要表现对某些技巧性动作的完善、习惯性行为和某些条件反射等，一般不能用语言表达出来。
这两种记忆可以转化，如在学习自行车的过程中需对某些场景有陈述性记忆。一旦学会后，就成为一种技巧性动作，由陈述性记忆转化为非陈述性记忆。
(2)记忆的过程
进入人大脑的信息能长时间保留的记忆仅占1,左右，根据保留时间的长短可将记忆分为3类:?短时程记忆(short–term memory)，或工作性记忆(working memory)，其保留时间仅几秒钟到几分钟，仅能满足完成某项极为简单的工作需要，如打电话拨号，先记一个电话号码，拨完后记忆即消失。? 中时程记忆(intermediate memory)，保留时间自几分钟到几天，记忆在海马和其他脑区内进行处理，并能转为长时程记忆。? 长时程记忆(long–term memory)，保留时间自几天到数年。有些内容如与自己关系密切的相关信息，可终身难忘。
记忆的过程可分成4个连续的阶段，如图8–40中4个方块分别表示记忆的4个阶段，箭头表示记忆过渡的方向。第一阶段是感觉性记忆，通过感官而获得的信息首先在脑感觉区内储存，容量有限，仅是些初步的资料，储存的时间也很短，一般只有几百毫秒。感觉性记忆如果没有经过处理就会很快消失。如果在这阶段把那些不连续的、先后进来的信息整合成新的连续的印象，就可以从短暂的感觉性记忆转入到第一记忆(primary memory)中。这个转变过程可能有两种途径，一是将感觉性记忆的资料转变成口头表达性的符号(如语言符号)，这是最常见的;另一种是非口头表达性的途径，目前对其了解得不多，但它是幼
儿学习所必须采取的途径。信息在第一记忆中保留的时间仍然很短，平均数秒钟。通过反复运用，信息便在第一记忆中作相应的循环，从而延长了在第一记忆中停留的时间，这样就使信息转入第二记忆(secondary memory)中。第二记忆是一个大而持久的储存系统。发生在第二记忆内的遗忘似乎是由于先前的或后来的信息的干扰所造成的，这种干扰称为前活动性干扰或后活动性干扰。有些记忆的痕迹，如自己的名字和每天都在进行操作的手艺等，经过长年累月的运用，是不会遗忘的，这一类记忆储存在第三记忆(tertiary memory)中。记忆的4个阶段中感觉性记忆和第一记忆相当于上述的短时程记忆，而第二和第三记忆相当于长时程记忆。在每一级记忆中只有一部分的储存资料能够到达最稳定的记忆之中。复习(运用)使得从第一级转入第三级记忆更容易。
(3)遗忘(记忆的障碍)
遗忘是指部分或完全失去回忆和再确认的能力。遗忘是一种正常的生理现象。遗忘在学习开始时就有，最初遗忘速率很快，以后逐渐减慢。遗忘并不意味着记忆痕迹的消失，因为复习已经遗忘的材料比学习新的材料容易。
记忆丧失可以有两种表示方式:逆行性遗忘症(retrograde amnesia)和顺行性遗忘症(anterograde amnesia)。逆行性遗忘症是指对脑损伤前发生的事情的记忆丧失。严重时损伤前获得的所有陈述性记忆都被遗忘，但比较常见的是，脑损伤前数月或数年间的事情被遗忘，而对更久以前的事情保持着很好的记忆。
顺行性遗忘症是指脑损伤后不能形成新的记忆。严重时，完全丧失对任何新事物的学习记忆能力。但比较常见的是对新事物的学习变得较慢，需要更多的重复。
实际中更多的是不同程度的逆行性遗忘症和顺行性遗忘症混合在一起。
8-60 学习记忆机制
学习和记忆的机制是一个尚在研究的问题。条件反射的建立就是一种最简单的学习形式，根据巴甫洛夫提出的“暂时性联系接通”的概念，认为是在脑的不同部位建立了新的功能联系。
早在19世纪末，著名神经生物学家Cajal就提出“学习可能与神经元之间新突触的形成有关”。近几年也有人相继提出，学习和记忆过程的神经基础是神经元之间的连接，即突触在形态和功能上发生了改变，称为突触的可塑性(synaptic plasticity)。突触的可塑性包括突触结构的可塑性和传递的可塑性。前者是指各种类型的学习和记忆的训练均可诱发与学习记忆有关的脑区产生明显的结构可塑性变化，引起更多的新突触形成、突触的重排、突触前后成分的形态、大小、致密物质的变化等。后者是指突触的反复活动导致突触传递效率的变化，即在神经通路上给予短暂重复的刺激引起突触传递长时程增强(long–term potentiation ，LTP，为兔海马中的一种突触传递形式)。LTP是一种突触传递持续性增强，可以持续几小时，甚至几天或几周，是中枢可塑性的表现。影响LTP的因素可影响学习记忆过程;而学习记忆的过程中也可产生LTP;影响学习记忆的因素，也能影响LTP的产生。
目前认为感觉忆记忆和第一记忆主要是神经元的生理功能的表现。神经元的活动具有一定的后作用，在刺激作用过去之后，活动仍存留一定时间，感觉性记忆机制可能属于这一种。中枢内神经元之间存在许多环路联系，环路的连续活动也是记忆的一种形式，第一记忆的机制可能属于这一类。
神经递质是神经元间信息传递的物质，因此也参与正常的学习记忆的活动。如抗胆碱药物可影响短时记忆，而拟胆碱药物可加强学习后的记忆。γ,氨基丁酸能加快学习速度，促进记忆的巩固。儿茶酚胺释放剂(胺菲他明)能加强学习和记忆，而使儿茶酚胺水平下降的药物(如利血平)则破坏学习和记忆的保持过程。在动物训练后，将血管升压素注入海马齿状核可增强记忆，而注入催产素则使记忆减退。一定量的脑啡肽可使动物学习过程遭到破坏，而纳洛酮可增强记忆。用血管升压素可治疗遗忘症。
神经生化的研究证实，脑内的物质代谢，特别是核糖核酸和蛋白质的合成与长时程记忆有关。如将蛋白合成抑制剂(放线菌素或嘌呤酶素)注射于动物脑内，抑制细胞膜或细胞内某种蛋白质的形成，则动物不能建立条件反射，学习和记忆能力发生明显障碍。长时程记忆的形成有赖于脑内RNA、蛋白质的合成，这些均在基因调控下进行。
8-61 神经活动的类型
畜牧兽医实践中常可观察到，相同种类的不同动物个体在形成条件反射的速度、强度、精细程度和稳
定性等方面，以及对疾病的抵抗力、对药物的敏感性和耐受性以及生产性能等方面，都存在着明显的个体差异。这种因大脑皮质的调节和整合活动存在的个体差异，叫做神经活动的类型，一般简称为神经型(nervous type)。
(1)家畜的基本神经型
根据大脑皮质活动的特点，可将家畜的神经型分为兴奋型、活泼型、安静型和抑制型4种基本类型。它们之间还有几种过渡类型。
? 兴奋型:其神经型特点是兴奋和抑制都很强，但比较起来，兴奋占优势。这类动物的行为表现急躁、暴烈、不受约束和带有攻击性，它们能迅速地建立比较巩固的条件反射，但条件反射的精细度很差，即对类似刺激的辨别能力很弱。
? 活泼型:其神经型特点是兴奋和抑制都强，且均衡发展，互相转化比较容易，且迅速。这类动物表现为活泼好动，对周围发生的微小变化能迅速发生反应;能精细地辨别相似的刺激，适应环境的复杂变化，形成条件反射很快，是动物生产上最好的神经型。
? 安静型:其神经型特点是兴奋和抑制都强，发展也比较平衡，但互相转化比较困难而缓慢。这类动物表现为安静、细致、温驯和有节制，对周围变化反应冷淡。它们能很好地建立精细的条件反射，但形成的速度较慢。
? 抑制型:其神经型特点是兴奋和抑制都很弱，一般更容易表现抑制。这类动物表现为胆怯、不好动，易疲劳，常常畏缩不前和带有防御性。一般不易形成条件反射，形成后也不巩固。它们不能适应复杂变化的环境，也难于胜任比较强和持久的活动。
(2)神经型的形成
家畜神经型不但取决于该个体神经系统的遗传特性，还与其后天的环境因素有关。神经系统的遗传特性决定条件反射建立的可能性，包括建立的速度、强度和稳定性等的个体差异。而后天因素决定将会形成什么样的条件反射和条件反射的真正建立。所以动物的神经型是皮质功能的遗传特性与周围环境影响结合的产物。实践证明，家畜神经型的初步形成，一般都在幼年阶段。例如:6,8月龄的犊牛的神经型已基本形成，周岁时已相当稳定。在家畜的幼年期，神经系统的遗传性还保持着较大的可塑性，易受环境因素的影响而改变。因此，在动物幼年阶段，环境因素的影响对神经型的形成常起重要的作用。在生产实践中，应从幼龄就开始进行定向培育，以期形成具有良好生产性能的神经型。例如，那些具有兴奋性遗传素质的幼畜，宜在安静环境中进行适当培养;而那些具有抑制性遗传素质的幼畜，可在多变的环境中进行饲养，可使它们向好的神经型方面发展。
(3)神经型的实践意义
畜牧业生产实践证明，活泼型的个体生产性能最高，安静型次之，兴奋型较差，抑制型最差。兴奋型个体在使役强度不大时表现良好，但使役强度增大时，则表现能力不定，对驱赶表现反抗;活泼型的马和耕牛的挽力大、速度快，能迅速适应使役条件的变化;安静型的使役能力较好，挽力也大，但动作较缓慢;抑制型的使役能力很差，挽力小，速度慢，不耐久，对驱赶反应迟钝。
动物的神经型与生产性能之间有密切关系，因此，结合神经型的遗传素质进行定向培育，可提高动物的生产性能。例如，安静型的猪容易肥育，而兴奋型的个体则难以肥育。兽医临床实践中观察发现，抑制型个体对致病因素的抵抗力差，发病率高，病程长及临床症状较重，对药物的耐受剂量较低，药物治疗效果差，痊愈或康复缓慢;活泼型和安静型的个体与抑制型恰好相反;兴奋型的个体对疾病的抵抗力和恢复能力均比抑制型好，但不如活泼型和安静型。
总之，神经型的理论，对畜牧业生产的发展具有重要的实践意义，尚待人们在实际工作中去研究与应用。
第9章 内 分 泌
9-1 经典内分泌腺体及其分泌的主要激素和化学性质
9-2 内分泌腺和激素的发现
内分泌的概念最初由法国生理学家Claud Bernard 提出，1855年Claud Bernard从实验中发现，肝细胞
可不通过任何导管将糖分泌到血液中，他认为这是一种不同于消化腺和汗腺需要通过固定的管道来释放自己的分泌物的新的分泌方式，并与机体内环境成分恒定有密切关系。他的观点给后人研究内分泌的思路以很大的启发。1902年英国的生理学家Bayliss和他的学生Starling发现，用盐酸溶液刺激失去神经支配而保持血液循环的小肠襻黏膜时，能引起去神经的胰腺分泌胰液，而将盐酸直接注射入血液却没有此效应。进一步实验证明，该小肠黏膜分泌的物质 [后来证明是促胰液素(secretin)] 是通过血液循环到达胰腺的，从而刺激胰腺的分泌(见第5章)。因此他们认为，机体内除了神经调节(nervous regulation)外，可能还存在一个通过无管腺分泌特异的化学信使到血液中，经血液循环运送，调节远距离靶器官活动的新的调节方式，即体液性化学调节(chemical regulation)。1905年，Hardy创用了用“hormone”一词(希腊文，意为刺激、使兴奋)来概括这类化学信使。几年后，Penole引入了“内分泌学”(endocrinology)这一术语。 9-3 功能器官生成的主要激素及其化学性质
9-4 脊椎动物内分泌系统的起源与进化
比较生理学研究证明，最原始的内分泌调节作用是由神经内分泌细胞产生的神经分泌物完成的，它们比一般神经细胞产生的神经递质能保持较长的时间，并扩散或运送到较远的部位，作用于较大的范围。无脊椎动物的内分泌主要是神经分泌作用，只有较高等的无脊椎动物(软体动物和节肢动物)和脊椎动物才具有非神经性分泌特征和起源于非神经性组织的内分泌腺体。
脊椎动物内分泌系统的起源主要集中在神经系统、消化系统和部分生肾组织。低等脊椎动物(如圆口类)的神经分泌细胞广泛分布在脑和脊髓。随着动物的进化，高等脊椎动物的神经分泌细胞主要集中在2,3个很小的部位。一是松果体，它是由间脑的上丘脑区发展起来的。二是间脑的下丘脑区，出现了许多神经内分泌细胞集中的核团，如低等动物的视前核，哺乳动物的视上核、室旁核、弓状核、腹内侧核、视交叉上核等。在鱼类由脊髓末端的神经分泌细胞逐渐集中形成的尾下垂体是神经分泌的第三个部位。肾上腺髓质的细胞和交感神经节细胞均来自神经嵴，当用铬盐处理时，它们的细胞内颗粒都变为棕色，因而称为嗜铬组织。嗜铬反应是这些细胞和交感神经系统有关的重要标志之一，表明它们都含有儿茶酚胺——去甲肾上腺素和肾上腺素。因此，肾上腺髓质可以看成是一个交感神经的外周神经节，而嗜铬细胞实质上是没有纤维的交感神经节后神经元。它们的分泌活动直接受交感神经节前纤维的调节。
甲状腺、甲状旁腺、鳃后体、胰岛、腺垂体及胃肠道内分泌细胞等均由消化管前部发展而来。原始脊索动物的消化管前部是滤食器官，在口腔和鳃部产生大量黏液性分泌物，能黏住随水流进口腔的食物，并能连同食物被送至消化管后部，在消化和代谢活动中起重要作用。随着颚的形成，捕食习性和周期摄食出现，消化管前部尤其是黏液分泌细胞逐渐形成了一系列的内分泌器官，以适应于对化学调节物质需要日益增加的趋势。例如七鳃鳗幼体没有甲状腺，变态时由幼体器官内柱形成了甲状腺(图9–1)，而内柱在原始脊索动物和七鳃鳗幼体的主要作用就是分泌黏液黏着食物，并促使碘与酪氨酸结合，参与代谢调节。在这个部位的其他一些内分泌器官也发生了类似的进化发展情况。如胃和肠上皮散布着一些分泌激素(促胰液素和促胃液素)的细胞。胰岛和胃肠内分泌细胞均起源于内胚层。七鳃鳗幼体的胰岛组织埋藏于前肠黏膜下层。有些硬骨鱼类和蛇类的胰岛组织位于胆囊附近，大多数脊椎动物的胰岛散布于胰腺内。鳃后体和甲状旁腺起源于鳃囊，它与胸腺均由内胚层的咽上皮所形成。一般甲状旁腺有两对，起源于第 ?、? 对鳃囊。鱼类没有甲状旁腺，两栖类以上的陆栖脊椎动物才有，这可能和陆地生活及钙盐的储存与调节活动有关。鳃后体起源于最后一对鳃囊。除圆口类以外，所有脊椎动物都有鳃后体，一般位于心脏周围，但哺乳动物的鳃后体在个体发育过程中移到甲状腺内，成为甲状腺的C细胞，又称滤泡旁细胞。腺垂体也由消化管前部形成，胚胎时期口腔顶部上皮向上生长形成拉克氏囊，与其上方由间脑底部向下生长的神经组织紧密接触，囊上皮继续生长形成腺垂体，向下生长的神经组织形成神经垂体，腺垂体和神经垂体共同构成脑垂体。
性腺和肾上腺皮质是由生肾组织和体腔的一部分中胚层组织发展形成的，位于体腔内侧的生殖嵴形成性腺;而位于肾和性腺之间的生肾组织形成肾上腺皮质。胚胎时期生肾组织与体腔联系，而在原始脊索动物体腔具有排泄和生殖双重功能。随着动物进化，性腺的激素主要控制生殖功能，而肾上腺皮质激素则主要调节物质代谢。由来自外胚层的肾上腺髓质和肾上腺皮质一起形成肾上腺。鱼类没有具体的肾上腺，但
有相应的组织与哺乳动物的肾上腺髓质同源，为嗜铬组织;而与皮质同源，分散于肾之间的称肾间组织。板鳃类的肾上腺的皮质和髓质完全分开;而在硬骨鱼类中这两种组织或多或少地密切相联。还有些鱼类和两栖类的嗜铬组织常排列于肾间组织之中，形成肾上腺复合体。爬行类以上的脊椎动物均形成一对肾上腺，而且嗜铬组织和肾上腺皮质结合紧密。但爬行类和鸟类的嗜铬组织是分散在肾上腺皮质内部的。只有哺乳动物的嗜铬组织才集中位于肾上腺皮质内部，形成典型的肾上腺髓质和肾上腺皮质界限分明的肾上腺(图9–2)。只有硬骨鱼类才有斯坦尼斯小体，简称斯氏小囊，也是一种肾间组织，来自前或中肾管。但与肾间组织没有联系，其功能类似于高等动物的甲状旁腺。
9-5 激素的合成、分泌、转运与代谢
(1)激素的合成
肽类和蛋白质激素的合成与一般蛋白质合成过程相似，即需要通过基因转录、翻译并合成肽链，先形成的是比激素相对分子质量大的前体物质，即前激素原(pre-prohormone)，前激素原进一步裂解为激素原(prohormone)，最后经高尔基复合体包装和降解形成有活性的激素。类固醇激素和胺类激素分别以胆固醇、酪氨酸等为原料，依靠细胞质或分泌小泡制造的各种专门的酶，经过一系列酶促反应过程而合成。 (2)激素的分泌
内分泌细胞将激素释放到细胞外液的过程，称为分泌。各种激素由于其合成和储存的方式不同，分泌的方式也有较大差异。含氮类激素合成后都以颗粒形式在细胞内储存，然后经胞吐作用从细胞释放到细胞外液中。类固醇激素合成后很少储存，主要通过单纯扩散经细胞膜释放至细胞外液中。 (3)激素的转运
激素分泌后，经血液循环或体液扩散，到达靶细胞的过程称为转运。转运的路程有长、有短，方式也多种多样。如肽类和胺类水溶性激素能直接溶于血浆，以游离状态随血液运行，而脂溶性激素和甲状腺激素必须与非特异性或特异性蛋白结合才能转运，只有少量呈游离状态，游离态激素与结合态激素之间可以相互转变，并保持动态平衡。虽然游离态激素比例很低，但只有这些游离态激素才能通过毛细血管壁进入靶细胞，发挥调节作用。因此，就生理意义而言，激素游离态浓度比结合态更为重要。 (4)激素的代谢
激素从释放出来到失活并被消除的过程，称为激素的代谢。代谢通常以半衰期(half life)，即指激素的浓度或活性在血液中减少一半需要的时间表示。激素在血液中的半衰期很短，一般只有几分钟到几十分钟，最短的(如前列腺素)甚至不到1 min，较长的如类固醇激素也不过几天。为了保证经常性的调控作用，各种内分泌组织都经常处于活动状态，维持激素在血液中的基础浓度，并随着机体内环境的变化而不断调整它们的分泌速率。
激素在靶组织发挥作用后被降解，也可在肝、肾等被降解、破坏，随胆汁经粪和尿排出体外;极少量激素也可不经降解，直接随尿、乳等排出。
9-6 1971年诺贝尔生理学或医学奖
1965年美国科学家Sutherland等在研究肾上腺素和胰高血糖素对肝细胞的作用中发现了环腺苷一磷酸，提出了第二信使理论来阐明含氮类激素的作用机制。激素作用机制的深入研究有力地促进着内分泌学向分子生物学迈进，相继发现了体内一系列生物信号跨膜转导的G蛋白–效应器酶–第二信使机制。因此，Sutherland荣获1971年诺贝尔生理学或医学奖。
9-7 以肌醇三磷酸(IP3)和二酰甘油(DG)为第二信使系统
磷脂酶C是G蛋白(如Gq)的另一重要的效应器酶。在激素作用下相应的膜受体活化，经G蛋白的耦联作用，激活膜内的磷脂酶C(phospholipase C，PLC)，它使磷脂酰肌醇二磷酸(PIP2)分解成肌醇磷酸(IP3)和二酰甘油(DG)。DG生成后仍留在膜中，IP3则进入胞质，激活内质网和细胞膜的Ca2+ 通道，促使内质网释放Ca2+ 和细胞膜外的Ca2+ 内流，导致胞质中Ca2+ 浓度明显增加。Ca2+ 与细胞内的钙调蛋白(calmodulin，CaM)结合，可激活蛋白激酶C(PKC)，促使蛋白质或酶的磷酸化，从而调节细胞的功能。DG的作用是能特异性激活蛋白激酶C(protein kinase C，PKC)，PKC的激活依赖于Ca2+ 的存在。激活的PKC与PKA一样，可使多种蛋白质或酶发生磷酸化，进而调节细胞的功能活动。另外，DG的降解
产物花生四烯酸又是合成前列腺素的原料，花生四烯酸和前列腺素的过氧化物又参与鸟苷酸环化酶(guanylate cyclase)的激活，促进cGMP的生成。cGMP作为另一种第二信使，通过激活PKC而改变细胞的功能。
9-8 下丘脑激素的化学性质与主要作用
9-9 TRH的发现和1977年诺贝尔生理学或医学奖
发现下丘脑神经激素的工作十分艰苦，由于这些因子在下丘脑中含量极微，下丘脑本身体积也很小，又是许多生物活性物质集中的部位，当时人们对于这些物质的性质一无所知，如同大海捞针。美国的Schally和Guillemin两处实验室的科学工作者经过将近20年的艰苦卓绝的、有时几乎是令人绝望的努力，前后用了几百万只羊和猪的下丘脑(总质量以吨计)，终于在1969年分离、纯化了第一个下丘脑释放因子(TRF)，进而阐明了它的结构，正式命名为促甲状腺素释放素(TRH)。此后，下丘脑的其他释放激素和释放抑制激素也相继被分离鉴定。1971年Schally等鉴定了黄体生成素释放激素(LHRH)。1973年R. Guillemin等鉴定了生长抑素(SS)，R. Burgus 和同事分离出GIH的化学结构为14肽，3年后，由R. Guillemin和J. R. Gerich人工合成了这一激素。 1981年Vale、Burguss等从50万头山羊的下丘脑中分离鉴定出了促肾上腺皮质激素释放激素(CRH)。这些辉煌成果，揭示了神经系统与内分泌系统的内在联系，使Harris学说变成了世人公认的科学理论，推动了临床医学的发展。由于Guillemin对下丘脑激素的发现，他和其他两位英国科学家A. Schally和P. Yalow共同荣获了1977年诺贝尔生理学或医学奖。
9-10 神经递质对几种下丘脑调节肽分泌的影响
9-11 垂体的组织结构
哺乳动物的腺垂体包括远侧部、中间部和结节部，由多种腺细胞构成。神经垂体包括神经部、正中隆起和漏斗柄。通过漏斗柄与下丘脑联为一体。远侧部和结节部常合称为前叶;中间部和神经部常称为后叶。家禽的垂体没有中间部。硬骨鱼类没有明显的正中隆起，在发生过程中这部分内褶到腺垂体内，使围绕神经垂体的微血管把血液直接供给腺垂体，因此鱼类的脑垂体没有真正的门脉系统，下丘脑的神经分泌细胞的纤维一部分将其分泌物释放到位于神经垂体和腺垂体之间的血液通道中，而另一部分纤维则可直接深入到腺垂体间叶的分泌细胞周围，以调节控制各种分泌细胞的分泌活动(图9–3)。鱼类脑垂体的其他结构与哺乳动物的基本点相似，但在提法上稍有不同(图9–4)
9-12 不同动物神经垂体激素在3、4、8位上的氨基酸
9-13 腺垂体分泌的激素及其生理功能
9-14 关于腺垂体激素的种族特异性
由于腺垂体激素都是蛋白质，特别是催乳素、生长素和促性腺激素等大分子，因此它们具有明显的种族特异性。但这种种族特异性是相对的，如哺乳类的促性腺激素对各种类群脊椎动物都有一定的活性，哺乳类的LH和人的HCG对鱼类有作用，而鱼类的促性腺激素对哺乳动物没有作用;在鱼类中通常以同种或相近种类的促性腺激素活性较强。鸟类的促性腺激素对蜥蜴的活性要比对哺乳动物为强;爬行类的促性腺激素对鸟类和两栖类的活性也比对哺乳动物强。这些可能与它们的分子结构的差异性有关。低等动物垂体中间叶可合成阿黑皮素原(pro-opiomelanocortin，POMC)，阿黑皮素原(POMC)是多种垂体激素，如ACTH、β–促脂素 (β-lipotropin，LPH)、β–内啡肽 (β-endorphin)、促黑素细胞激素(melanophore-stimulating
hormone，MSH/mel-anotropin)的共同前体。
9-15 关于生长素释放肽
近些年发现胃黏膜内分泌细胞和下丘脑弓状核等部位可产生生长素释放肽(ghrelin)。生长素释放肽具有与GHRH类似的促进腺垂体GH分泌细胞分泌GH的作用，但其作用机制不同于GHRH。生长素释放肽还能促进食欲和生长发育，因此可能在机体的能量平衡调节中有一定意义。
9-16 促黑(素细胞)激素的种类及作用
MSH有两种类型，即α–MSH(14肽)和β–MSH(18肽)，前者的促黑素活性是后者的4,5倍。目前已知，除圆口纲外，其他脊椎动物各纲都具有α–MSH和β–MSH。MSH主要作用于黑色素细胞(melanophore 或melanocyte)，这些细胞分布于皮肤、毛发、眼球虹膜及视网膜色素层等处，胞质内含有
特殊的黑色素小体，内含酪氨酸酶，可催化酪氨酸转化为黑色素。成熟的黑色素小体含有大量的黑色素，可经黑色素细胞的细长突起进入表皮细胞。两栖类，黑色素以小颗粒形式存在，只能在黑色素细胞内移动。一般情况下，黑色素小颗粒聚集在细胞核周围，皮肤呈浅色;当受MSH刺激时，黑色素颗粒散布到整个胞质，皮肤变深与周围环境相适应。
9-17 甲状腺的组织结构
哺乳动物的甲状腺位于喉的后方，甲状软骨附近，分左右两叶，由峡相连。禽类甲状腺位于气管两侧在胸腔入口锁骨水平上，紧靠颈总动脉与锁骨下动脉分叉处。板鳃鱼类甲状腺是一个密实的器官。大多数硬骨鱼的甲状腺位于咽的下方，无被膜，成弥散性分布于鳃动脉、腹主动脉周围等处。甲状腺主要由大小不等的囊状腺泡构成，腺泡壁为单层立方形上皮，腺泡腔内充满含甲状腺素的甲状腺球蛋白的胶质，在机能活动增强时，细胞呈柱状，腔内胶质减少;活动减弱时细胞呈扁平状，胶质增加。 9-18 阻止I- 转运的因素
若应用哇巴因抑制ATP酶的活性，随着Na+进入甲状腺腺泡上皮受阻，聚碘作用也发生障碍。有些离子如CIO4,、SCN,、NO3,、ReO4, 等可与I- 竞争钠–碘同向转运体，故也能抑制甲状腺聚碘作用。 9-19 甲状腺激素通过核内受体途径发挥作用
甲状腺激素是脂溶性激素，其作用主要是通过核内甲状腺激素受体(thyroid hormone receptor，TH–R)介导。甲状腺激素进入核内，与TH–R结合后，即与另一个甲状腺激素–TH–R形成同二聚体而活化，启动特异性甲状腺激素应答基因的转录，并产生一系列的生物学效应。诸如增加产热和耗氧、组织器官生长和发育等。在核糖体、线粒体以及细胞膜上也发现了它的结合位点，对转录后的加工过程、线粒体的生物氧化作用以及膜的转运功能均有影响。
9-20 动物的甲状旁腺的解剖位置与结构
甲状旁腺是豆状的小腺体，一般有两对。肉食兽和马的两对甲状旁腺都包埋在甲状腺内部。反刍动物有一对甲状旁腺在甲状腺内，另一对位于甲状腺前方。猪的两对甲状旁腺都位于甲状腺前方。禽类的两对甲状旁腺都位于甲状腺后方。鱼类没有甲状旁腺。甲状旁腺由主细胞和嗜酸细胞组成，主细胞为分泌细胞。在主细胞内最先合成的是含115个氨基酸的前甲状旁腺素原，经先后两次酶解共脱去31个氨基酸肽段而成为84肽的甲状旁腺激素(parathyroid hormone，PTH)。
9-21 关于鱼类的降钙素
不同动物的CT氨基酸的组成和排列略有差异，CT的作用也不一样，鲑鱼CT的活性是猪的25倍。圆口类和软骨鱼类的骨骼内没有钙的沉积，有的真骨鱼类的骨骼没有骨细胞，不能对钙进行正常的骨骼吸收。但它们多半是通过鳃、肠、肾的细胞膜把体内过多的Ca2+ 排出体外。有的硬骨鱼的骨骼有骨细胞，则可以观察到CT的降钙作用。如给沟鲶和欧洲鳗鲡注射猪的CT，其血钙和磷水平下降。如将鳗鲡的鳃后体除去，手术4周后血钙含量明显升高。由于鱼类有发达的鳃后体，分泌的CT又有高的生物活性， 因此可以肯定它对控制血钙过高必定起重要作用。
9-22 关于1，25-二羟维生素D3的代谢过程
它由维生素D3的前身7–脱氢胆固醇，在动物体内经代谢转变而生成。7–脱氢胆固醇存在于动物真皮层，经紫外线照射形成维生素D3(胆钙化醇)，它不具有生物学活性，必须先在肝内经25–羟化酶系催化成25–羟维生素D3 [25–(OH)D3]，进入血液，成为血液中维生素D的主要形式，但它的活性也不高，还需经肾在1羟化酶系的催化下形成1，25–(OH)2D3。1，25–(OH)2D3 活性最高，比25–(OH) D3 强200倍，是维生素D参与钙代谢调节的生理活性形式。
9-23 皮质激素的合成代谢
糖皮质激素由束状带及网状带分泌，主要有皮质醇(cortis)和皮质酮(corticosterone)。鸟类、大鼠、小鼠、兔分泌的有95% 以上是皮质酮;而牛、羊和人等分泌的则有90% 以上是皮质醇。盐皮质激素由球状带分泌，主要有醛固酮、脱氧皮质酮等。性激素由网状带分泌，以脱氢表雄酮为主，还有少量雌二醇。皮质激素由皮质细胞以胆固醇为原料，首先在线粒体内膜中使胆固醇的长侧链断裂，生成孕烯醇酮或17α–羟孕烯醇酮。然后由孕烯醇酮或17α–羟孕烯醇酮在滑面内质网中转变成各种皮质激素。
皮质激素很少在细胞内储存，合成后很快被分泌入血液。皮质醇进入血液后大部分与皮质类固醇结合球蛋白(corticosteroid binding globulin，CBG)结合，少部分与血浆白蛋白结合，有5%,10%是游离型的。结合型与游离型皮质醇可以互相转化，维持动态平衡。只有游离型皮质醇能进入靶细胞发挥其生理作用。醛固酮与血浆蛋白及CBG的结合力很弱，主要以游离状态存在和运输。
9-24 应激时激素和细胞因子的变化
9-25 糖皮质激素细胞作用机制
? 脂溶性游离激素(GC)进入细胞内;? 进入胞质的激素解除了糖皮质激素受体与热休克蛋白的结合状态并与受体结合为激素受体复合物;? 激素受体复合物进入细胞核内;? 激素受体复合物以二聚体形式与DNA螺旋糖皮质激素反应元件结合，并同其他转录因子共同调节基因表达过程;? 以mRNA为模板合成新的功能蛋白质;? 最终引起细胞的生物效应
9-26 肾上腺素和去甲肾上腺素的合成
肾上腺髓质激素的合成与交感神经节后神经元合成去甲肾上腺素的过程基本一致，不同的是嗜铬细胞可使去甲肾上腺素甲基化生成肾上腺素。嗜铬细胞能合成和分泌多巴胺、去甲肾上腺素和肾上腺素，因为它们共同都含有儿茶酚胺(邻苯二酚)的化学结构，所以，总称为儿茶酚胺类激素。酪氨酸先在胞质内经酪氨酸羟化酶催化形成多巴(2-羟苯丙氨酸)，再经脱羧酶催化脱去羧基生成多巴胺，然后经羧化生成去甲肾上腺素;再在苯乙酸胺氮位甲基移位酶(phenylethanolamine-N-methyltransferase，PNMT)催化下生成肾上腺素(图9–6)。神经组织产生的儿茶酚胺主要作为神经递质发挥信号传递作用;肾上腺髓质产生的儿茶酚胺作为激素进入血液到达相应的靶细胞起化学信使作用。
9-27 胰岛素的发现与研究
Langerhans最早发现和确认胰岛素结构;30年后，1889年Mering和Minkowski通过实验证实切除胰腺可引起糖尿病;1909年de Mayer、1917年Shapey-Schaffer分别提出糖尿病与胰岛素有关，为认识胰岛素的功能奠定了基础;1921年Banting和Best利用化学技术最先用胰腺组织制备了能降低血糖的胰岛素;1926年Abel完成了胰岛素的结晶，为进一步的化学和生物学研究提供了条件。1955年Sanger等对胰岛素的分子成功地进行了测序;1965年我国生物化学家率先人工合成了牛胰岛素。1966年Dixon和Katsoyannis等实验室成功合成人胰岛素。现在应用DNA重组技术制备胰岛素已经能投入生产。 9-28 胰岛素的受体及其作用机制
9-29 由糖引起的胰岛素分泌
高血糖持续刺激下，胰岛素的分泌可分两个时相的变化:血糖升高开始5 min内，胰岛素分泌迅速增加约10倍，为第一时相，可能是葡萄糖作用于B细胞的葡萄糖受体(glucose receptor)，使cAMP和Ca2+ 增加，引起B细胞内储存的激素释放出来，此乃血糖调节胰岛素分泌的受体学说。5,10 min后，分泌下降50%，15 min后，胰岛素分泌再度升高，在2,3 h后达到高峰，持续时间长，分泌速率也快，为第二时相。此时可能是由于B细胞内葡萄糖代谢发出信息，刺激胰岛素合成酶系的活动，促进胰岛素的合成与释放。也就是说葡萄糖一定要经过代谢后才能调节胰岛素的分泌。应用葡萄糖代谢阻断剂，可抑制胰岛素的释放，此为血糖调节胰岛素分泌的代谢学说。长时间的高血糖刺激可刺激B细胞增殖，胰岛素分泌将进一步增加。
9-30 褪黑素(MLT)的分泌调节
摘除动物的眼球或切断支配松果体的交感神经，MLT分泌的昼夜周期性节律不再出现。捣毁动物的视交叉上核、MLT分泌的昼夜周期性节律消失。黑暗引起松果体分泌MLT，是视交叉上核发出神经冲动，引起交感神经节后纤维分泌的去甲肾上腺素，作用于松果体细胞膜的β1–去甲肾上腺素能受体，激活腺苷酸环化酶–cAMP系统使MLT合成酶系的活性增强，MLT合成和分泌增加。但光照条件下，光刺激通过视网膜传入冲动可抑制交感神经节后纤维末梢分泌去甲肾上腺素，使松果体合成和分泌MLT减少。许多实验证明，雌二醇、孕酮和睾酮也能促进松果体的分泌功能。
不同种类的动物的生殖活动对MLT的反应也各不相同。如啮齿动物的生殖系统活动加强一般在昼长夜短的春季开始，此时血液中的MLT浓度因夜间缩短，分泌减少而降低。偶蹄动物的生殖系统活动加强的时
期却在夜长昼短的秋季，血液中的MLT浓度因夜间延长而升高。这些都是为了保证在后代出生时有丰富的食物，增加了生存的机会。鱼类MLT的合成与分泌的节律主要受光照和温度的影响。 9-31 鱼类的尾下垂体
鱼类的尾下垂体(urophysis)是位于脊髓后部的神经分泌器官，又称为尾神经分泌系统(caudal neurosecretory system)。
尾下垂体分泌多种激素，其中以尾紧张素?(urotensin I，u–I)和尾紧张素?(urotensinII，u–II)为主，Bem等证明尾下垂体和鱼类的渗透压调节有密切关系。在不同的渗透压环境中尾下垂体组织学结构发生变化，而切除尾下垂体后，鱼类对淡水和海水的适应能力降低。u–?和u–?主要是通过3条途径影响鱼体内的水分和离子的运输过程，从而参与渗透压调节:? 影响各个渗透压调节器官的血液供应，如增高血压，促进尿液形成和排泄;? 抑制或刺激调节渗透压的激素分泌，如u–?能抑制罗非鱼催乳素的分泌;? 直接影响各种膜对离子输送作用，在皮肤和鳃盖膜，影响氯化物运输;在膀胱，影响钠的运输;在前肠，影响水和离子移动。此外，u–?和u–?对肠的运输功能有不同影响，取决于鱼是适应于淡水还是海水生活。u–?减少在淡水中鱼的肠对水和氯化钠的吸收，而对海水鱼类没有影响;而u–?对淡水鱼类没有作用，但增加海水鱼类对水和氯化钠的吸收。
9-32 鱼类的斯氏小体
斯氏小体(斯氏小囊，corpuscle of Stannius，SC)为硬骨鱼类所特有，已经证明斯氏小体与肾上腺或肾间组织没有关系，亦不参与合成肾上腺皮质内固醇激素。早期对欧洲鳗鲡的研究已初步证明，它与血钙含量有关。切除它能使血钙增高，而注射它的粗提取液能使钙含量恢复正常。研究发现大麻哈鱼的斯氏小体可分泌一种小糖蛋白(teleocalcin)，有明显的降钙效果，它的作用是抑制Ca2+–ATP酶结合到鳃质膜上，从而抑制鳃对钙的吸收。PRL和teleocalcin通过对鳃吸收钙的调节作用可有效地保持鱼体内钙的平衡，这对生活在海水或含钙量高的淡水中的鱼类特别重要。研究还发现，斯氏小体的活动可以从血库中调动钙，并输送到正在发育、成熟的性腺，而诱导性腺的成熟。
最近的研究表明，从鱼类的斯氏小体分离出来的糖蛋白(teleocalcin)在生理功能和免疫反应方面都与哺乳类的甲状旁腺素(parathyrin)相似。
9-33 昆虫的外激素
昆虫都是以种群的形式存在和生活的，尤其是社群性昆虫，利用外激素彼此进行联络是昆虫最重要的传递信息方式。信息素有多种作用，成虫性成熟时由雌虫分泌一种性外激素(sex pheromone)借以吸引雄虫，如处女蜂王在交配飞行时，就分泌信息素吸引雄蜂。而且只有雄虫具有能感受这种化学物质的感受器，并飞向雌虫。斑蝶属(Lycoroa)的雄蝶在追逐雌蝶时，用伸出来的“毛刷”扫触角，“毛刷”含有性外激素分泌物，可吸引雌蝶飞落与它进行交配。
有些性外激素不仅有性别引诱作用，而且还具有性抑制作用，如蜜蜂的大颚腺分泌一种所谓女王物质是9–氧壬烯双酸(9–oxodecenoic acid)，既有性引诱作用，在蜂王“婚娶”时吸引雄蜂爬到蜂王身上;又是性抑制剂，把它涂在蜂王身上，当其他雌蜂舐吃这种物质后就抑制卵巢发育而变成不育的工蜂。白蚁和蚂蚁王亦有类似情况。结集(聚合)外激素(aggregation pheromone)能使许多个体集合在一起。在分蜂时，蜂王分泌聚合信息素“蜂王物质”使蜂聚合在一起。社会昆虫还可通过直接接触交换信息素，觅食的昆虫还可分泌踪迹外激素(trail pheromone)，如外出觅食的蚂蚁，腹部常常周期性地接触地面，留下信息素，使其他的蚂蚁跟踪而来。得到食物的个体在归途中还分泌信息素以加强示踪作用。有些昆虫还可以分泌警戒外激素(alarm pheromone)，当蜂或蚁的巢穴受攻击时，就释放外激素以动员本巢昆虫参加救援和御敌;当蚜虫遇敌时(如被瓢虫捕食)，即由腹管末端释放分泌物以报警，附近的蚜虫嗅到这种气味后立即散开或装死跌落地面而逃避敌害，这种物质是反–β–金合欢烯(法呢烯，farnesene)。
昆虫体表的感受器(如触角、下颚须、下唇须)接受到外激素分子后产生感受器电位(触角电位)，然后由感觉神经元转变成神经冲动传导到中枢神经系统，通过神经中枢的协调作用把信息传递给肌肉等反应器，导致接受外激素的昆虫定向飞行、交配等动作的产生。
目前利用信息素消灭有害昆虫，保护有益昆虫是一种有价值的控制昆虫的方法。
9-34 甲壳动物的外激素
甲壳动物亦能产生性外激素。如太平洋蟹(Portunus sanguinolontus)在雌蟹蜕皮之前，雄蟹携带雌蟹达6 d以上，因交配需在蜕皮后立即进行，这时新的骨骼还是软的。在水池中放入蜕皮前的雌蟹，能使雄蟹激动并引起寻觅行为，企图把每个接触的蟹都拉过来。把雄蟹置入预先放过雌蟹的水中同样可诱导类似的反应，这表明是由蜕皮前雌蟹尿中含有的某种性外激素所引起。
9-35 鱼类的外激素
鱼类的许多社会性相互作用已证明是在外激素的作用下进行的。在鱼类性腺的排卵、受精活动中异性刺激是非常重要的，因为异性的鱼能产生一种性信息素，激发异性鱼之间的直接接触、追逐的性行为，刺激性细胞的发育和排放。如雌蓑鲉的卵巢可分泌性信息素，引诱雄鱼，使它进行一系列的求爱动作，这种性信息素中含有17β–雌二醇和葡糖苷酸睾酮，雄蓑鲉是通过嗅觉发现信息素的，如嗅觉缺失即不能被引诱。雄鱼的性外激素主要来自精巢或其附属组织，连同雄鱼的生殖产物(精液)一同释放出来，如产卵中盛有雄鱼的水对雌鱼很有吸引力;雄鱼的精液或精巢匀浆都能诱导雌鱼产卵行为。个别种类雄鱼如鲶鱼的性外激素存在于尿液或皮肤的分泌物中一种黏多糖。大多数雄鱼的性外激素起刺激作用，只有格斗鱼科(Belontiidae)的雄鱼释放的化学信息是抑制其他雄鱼的攻击和营巢行为的。雌鱼的性外激素如鲶鱼来自肾，而食蚊鱼的性外激素来自卵巢。
鱼类的性外激素可能在脑垂体GtH直接影响下产生。加拿大的Stacey和Sorensen研究发现金鱼排卵前后分泌不同性外激素，排卵前在GtH的诱导下由卵母细胞滤泡膜分泌产生的17α，20β–双羟孕酮一方面促进卵母细胞最终成熟，另一方面释放到水中，通过雄鱼的嗅觉，而使血液中的GtH含量和产精液量增加，因此，17α，20β–双羟孕酮是开始排卵之前起作用的性外激素;在排卵开始后，雌金鱼前列腺素(PGF5)排到水中诱导雄鱼生殖行为，使排精、产卵同步完成。嗅电图的记录得到同样结果。进行交叉实验发现前列腺素(PGF2α)及其代谢产物15–酮基–前列腺素PGF2α是金鱼排卵开始后的主要性外激素，金鱼对其具有独特的嗅觉受体部位，而且与其他的嗅觉刺激分开。
除性外激素外，骨鳔鱼类(鲤形目)的皮肤受损伤后，柱形上皮细胞分泌一种警戒外激素，其化学性质和肾上腺皮质激素相似，能使其他鱼迅速分散。每个个体的气味也能被群体中的其他个体所识别，因此在集群中有很大的意义，大麻哈鱼从大海回到原来出生的淡水小溪流的生殖洄游亦和外激素的作用有关。 9-36 哺乳动物的外激素
哺乳动物的外激素主要来源于一些特化的皮肤腺，如小家鼠、河狸和犬科动物的包皮腺发达，位于阴茎内侧皮肤下面，其分泌物随尿排出体外，用来引诱异性、个体识别和标志领域。例如，嗅觉灵敏的哺乳动物可以利用香腺、尿或粪便来标记占领地和足迹，狗出行时常见其将尿喷洒在墙角或桩木上，这不单纯是排泄，而是在进行行迹标记;雌狗在发情期可释放出外激素，同样能吸引远处的雄狗。该物质包含着雌狗性状的信息，对异性起着激发的作用;雄性个体可能通过嗅觉辨别发情的和不发情的个体;雌性个体亦可以把正常的雄性动物和阉割的雄性动物区别开;母猪在公猪气味的影响下，能改变长久不孕的状况。性外激素影响着动物的发情周期，如小白鼠有抑制与促进发情的性外激素，当把雌鼠和雄鼠分开养时，雌鼠的发情周期比较长;当把雄鼠放到原来隔离饲养的雌鼠群中时，会使雌鼠性成熟加快，甚至把雄鼠放在铁笼内不让雌鼠的身体与雄鼠接触，亦能有这种刺激作用。此外，使幼小雌鼠嗅到雄鼠的气味时，亦能使阴道开放和第一次发情提早，雄鼠的这种“香气”的性质可能是存在于尿中的一种类固醇。关于哺乳动物性外激素的性质和作用机制研究得还不多，可能是性外激素通过嗅觉、中枢神经系统和内分泌系统来改变机体的生理活动的，需要一段时间，而且这类反应是不可逆的。
第10章 生殖与泌乳
10-1 动物的生殖方式和生殖器官
最初出现的低等单细胞生物是采用无性生殖的方式繁殖后代。随着生物的进化，动物开始出现两性器官，生殖方式从无性生殖过渡到有性生殖，并进一步由雌雄同体发展为雌雄异体，这些都是自然选择的结果。如今自然界中只有少数动物是雌雄同体(如 科、科)，而大多数脊椎动物都是雌雄异体。低等动物的生殖系统比较简单，而且多数是在水中受精(如鱼类和两栖类)。随着陆生动物的出现，逐步形成两性不同
的外生殖器和内生殖器，受精方式也演变为体内受精。雌性个体内子宫和乳腺的出现使生殖方式从卵生(鸟类)、卵胎生(爬行类)发展到胎生(哺乳类)。
脊椎动物的生殖器官包括主性生殖器官(primary sexual organ)和附性生殖器官(accessory sexual organ)。主性生殖器官为精巢(雄)和卵巢(雌)，分别产生精子和卵子，而且还能分泌激素，所以又称性腺(gonad，sexual gland)。附性生殖器官在低等动物如鱼类比较简单，包括输精(卵)管和某些体内受精的交换器(雄)或产卵管(雌);而在高等脊椎动物则复杂得多，雄性动物包括附睾、输精管、精囊腺、前列腺、尿道球腺和阴茎，雌性动物包括输卵管、子宫、阴道和外生殖器。两性成熟后，动物会出现一些与性有关的特性，称副性征或第二性征(secondary sexual characteristics)，如个体的大小、皮毛的色泽、叫声的差异和角(冠)的出现。鱼类也会出现婚装、追星、鳞片或鳍条色泽变深、粗糙等副性征。
随着繁殖技术和生物技术的迅速发展，在人工操作的基础上，高等动物(如人类和畜禽)也可以不通过自然交配和体内受精的传统方式进行后代的繁殖，如人工授精、体外受精和显微注射辅助受精;甚至可以进行无性生殖(动物克隆)。人工授精(artificial insemination)是指将雄性动物的精液通过人工方式输入雌性生殖道达到受精的过程。体外受精(in vitro fertilization，IVF)是指使哺乳动物的精子和卵子在体外人工控制的环境中完成受精过程。显微注射辅助受精(assisted fertilization by microinjection)是指利用显微操作仪直接把精子注入卵母细胞中完成受精的过程。所谓动物克隆(animal cloning)是指不需精卵结合，而直接由动物机体的一个细胞(包括尚未分化的干细胞和已经分化的体细胞)发育为一个遗传特性相同的新个体的过程(见后述)。以上几种非经典繁殖为科学研究提供了方便，同时在医学和生产实践中也具有重要意义，如通过人工授精使优良品种的引进更为方便(直接引进精液即可);通过体外受精可以帮助输卵管阻塞的女性生育自己的后代;通过显微注射可以帮助精子活力不足的男性生育自己的后代;通过克隆有利于优良品种和濒危动物的资源保存。
高等动物无性生殖生命多莉羊的诞生:1997年2月27日的英国《自然》杂志报道了一项震惊世界的研究成果:1996年7月5日，英国爱丁堡罗斯林(Roslin)研究所的伊恩?维尔穆特(Wilmut)领导的一个科研小组，利用克隆技术培育出一只小母羊。这是世界上第一只用已经分化的成熟的体细胞(乳腺细胞)克隆出的羊。它被美国《科学》杂志评为1997年世界十大科技进步的第一项，也是当年最引人注目的国际新闻之一。科学家们普遍认为，多莉的诞生标志着生物技术新时代来临。继多莉出现后，克隆，这个以前只在科学研究领域出现的术语变得广为人知。克隆猪、克隆猴、克隆牛„„纷纷问世，似乎一夜之间，克隆时代已来到人们眼前。
在培育多莉的过程中，科学家采用体细胞克隆技术，主要分4个步骤进行:
? 从一只6岁雌性的芬兰多塞特(Finn Dorset)白绵羊(称之为A)的乳腺中取出乳腺细胞，将其放入低浓度的培养液中，细胞逐渐停止分裂，此细胞称为供体细胞。
? 从一头苏格兰黑面母绵羊(称之为B)的卵巢中取出未受精的卵细胞，并立即将细胞核除去，留下一个无核的卵细胞，此细胞称为受体细胞。
? 利用电脉冲方法，使供体细胞和受体细胞融合，最后形成融合细胞。电脉冲可以产生类似于自然受精过程中的一系列反应，使融合细胞也能像受精卵一样进行细胞分裂、分化，从而形成胚胎细胞。 ? 将胚胎细胞转移到另一只苏格兰黑面母绵羊(称之为C)的子宫内，胚胎细胞进一步分化和发育，最后形成小绵羊多莉。
10-2 关于性分化
(1)性分化
性分化(sex differentiation)是一个十分复杂的生理过程，涉及遗传学、胚胎发生学和内分泌学等。伴随性分化，动物的性别出现一系列连续的演变，主要可分为:染色体性别?生殖腺性别?表型性别3个等级。McClung于1901年指出，性别分化取决于染色体。由性染色体决定的性别，称为染色体性别或遗传学性别。染色体性别决定的方式有两种:一种是XY型，如哺乳类、蛙类、果蝇等，雌性动物体内有两条同型的性染色体XX，产生的配子均是X型，雄性个体内有两条异型的性染色体XY，产生的配子或者是X型或者是Y型;另一种是ZW型，如鸟类、爬行类、南非爪蟾、一些鱼类和鳞翅目昆虫等，雌性动物体内
有两条异型的性染色体ZW，产生的配子或者是Z型或者是W型，雄性个体内有两条同型的性染色体ZZ，产生的配子均是Z型。除了在具有自然性反转和病理引起的性反转的动物中，染色体性别与生殖腺性别及表型性别不一致外，绝大多数哺乳类(包括人)的生殖腺性别和表型性别受染色体性别的控制，三者之间是一致的。即对于绝大多数哺乳类动物，性别主要取决于受精过程中参与受精的两个配子中性染色体的核型，发生性分化异常的主要原因是染色体异常，而环境几乎没有影响。如人类的性别主要取决于与卵细胞结合的精子是X型还是Y型(Y染色体上的H –Y抗原基因，决定原始性腺发育成睾丸)，受精作用一经完成，性别也就决定了。为了提高经济效益，目前可以通过分离X、Y精子和鉴定早期胚胎的性别等方法对家畜等进行性别控制(sex control)。但在低等一些的动物体内，如两栖类、爬行类等，性别的决定除与性染色体组成有关外，与环境的变化也有一定的关系。如青蛙等低等脊椎动物，即使性染色体组成为 XY，但在温度较高的环境中也会发育成雌蛙，在温度较低的环境中，即使性染色体组成为XX，也会发育成雄蛙。
(2)性腺与附属生殖器官的性分化
尽管雌雄动物的染色体存在差别，但在胚胎期性分化以前，雄性和雌性生殖器官的形态结构大体相似。以高等脊椎动物家畜为例，在性分化之前，雌、雄动物的生殖器官包括两个由生殖嵴半分化而产生的性腺、两对导管(米勒管和沃尔夫管)和一个尿生殖窦。两个半分化的性腺在发育过程中分化为卵巢(雌性)或睾丸(雄性)，睾丸是决定生殖系统两性差别的主要因素。对于雄性胚胎，睾丸所分泌的米勒抑制因子会导致米勒管的退化，而所分泌的睾酮能直接引起沃尔夫管发育，形成附睾、输精管和精囊腺，另外5α–双氢睾酮使生殖道进一步分化。相反，如果是雌性胚胎，由于没有睾酮分泌，则沃尔夫管退化，而米勒管则生长发育为雌性生殖系统，包括输卵管、子宫和阴道前部。
(3)低等脊椎动物性腺的逆转
哺乳动物生殖腺的性分化，遗传因素是决定因素，这是对胎生的一种适应。因为雄性胎儿在母体内经常受到来自母体的雌激素影响，存在着发生性逆转的可能，但这种现象不易发生，是因为遗传因素在性别分化中起着支配性作用。有些低等的脊椎动物如某些鱼类，与之不同，它们的性腺可发生性逆转，即性腺的发育从胚胎期一直到性腺成熟期或先是卵巢，产生卵子，经第一次繁殖后，卵巢内部发生了改变，逐渐转变成精巢而呈现出雄鱼特征(黄鳝、剑鱼尾、鱼岁 鱼);或先是精巢，然后逐渐转变成卵巢(鱼周 类 )。 (4)脑的性分化
实验证明，下丘脑的促性腺区有明显的两性差异:雌性动物的下丘脑存在基础分泌中枢(tonic center)和周期分泌中枢(cyclic center)两个中枢，前者控制GnRH的基础分泌，后者与形成LH峰和排卵有关;而雄性动物的下丘脑只存在基础分泌中枢。下丘脑功能上的性分化，关键是动物出生前后，是否受到微量睾酮的影响。当胚胎受到雄激素(睾酮)的诱导时，下丘脑的周期性分泌中枢关闭，GnRH呈连续性分泌，引起下丘脑雄性化，进而引起雄性激素的连续分泌，所以能连续产生精子。相反，雌性胚胎由于没有雄激素(睾酮)，下丘脑将自动向雌性化方向发展， GnRH呈周期性分泌，因此出现周期性排卵和发情等生理现象。
10-3 各种动物性成熟时间
10-4 各种动物的发情周期、发情期和排卵期
10-5 性激素的发现
(1)雄激素的发现和应用
1889年，法国医生Brown–Sequard试图通过皮下注射犬睾丸提取液使自己返老还童，震动了科学界。所有这些研究都为性激素的最终发现奠定了基础。
在古代，人们对性腺的生理作用已有一定的认识，早在6 000年前的新石器时代，小亚细亚的农夫就知道利用去势来促使野生动物变成家畜。3 000,4 000千年前，我们的祖先就懂得阉割术。当时，阉割可以控制牲畜的繁殖率，也可使动物的性情变得温驯，便于管理和使役，并能获得肥膘，增加肉类食品的产量。
18世纪，英国有一位名叫约翰?亨特的医生，他成功地把鸡的睾丸移植到鸡的腹腔，还能把公鸡的睾
丸移到母鸡体中。可惜的是，享特的成就引起他的内弟霍姆的嫉妒。享特死后，霍姆竟偷偷地把享特的全部实验资料统统烧毁。霍姆的恶作剧并不能阻碍科学的发展。1949年，有关睾丸移植的更深入研究的记载在欧洲大陆问世了。德国Gottingen大学的柏尔托德(Berthold)在1849年8月2日阉割了6只雄鸡，随后认真观察记录这些阉鸡的变化。柏尔托德发现，去掉睾丸的雄鸡行动懦怯，原来红艳艳的鸡冠与垂肉变得苍白，发育也不良。柏尔托德又做了这样的实验:他把4只雄鸡的睾丸取出之后，放在其中4只阉鸡的腹腔中，结果表明这,只被移植了睾丸的阉鸡在一般行为上与未阉割的雄鸡相同，它们能在清晨啼叫，彼此为争谷物而斗争并对雌鸡表现出友好的关注，鸡冠和垂肉的发育也正常。 至此，柏尔托德证明了睾丸是对雄性第二性征起决定作用的内分泌腺体，即使睾丸在体内移植到另一个部位，它也能继续存活并发挥它的生理功能。
到了19世纪末期，著名的内分泌学者Charles Edward Brown–Sequard在1889年6月1日的法国巴黎的生物学会上，报告了他在自己身上做的实验。Brown–Sequard自我施打一种从狗及天竺鼠睾丸提炼出来的精华液体后，变得活力充沛、思路清明，且食欲大增，有返老还童的感觉。Brown–Sequard发表这项发现之后，激起了科学界的惊叹，同时，更引起了大众的瞩目。不出几年，几乎可以说，普天下的科学家无不开始狂热地以睾丸或其提炼物作为治百病的万灵丹。医治的项目零琅满目，包罗万象，举凡癫痫、结核、糖尿病、瘫痪、坏疽、贫血、血管硬化、流行性感冒、爱迪生氏病、歇斯底里、偏头痛等，不一而足。几乎当时无法医治的病都用这个神奇妙方来试一试。
后来，瓦尔克尔医生在1908年用公鸡睾丸的盐水浸出物重复注射在正常的小母鸡体内，发现它能刺激小母鸡冠的生长，证实了睾丸提取物具有特定的生理作用。1931年，人们终于在人尿中提取到第一个雄激素的结晶，从阉鸡到性激素的发现经历了漫长的时期之后终于有了突破性的进展。
Windaus曾在1928年时因胆固醇及维生素方面的研究贡献获得诺贝尔化学奖。1929年时，他的学生Butenandt在孕妇的尿中分离出第一个性激素雄酮(estrone)。随后，他又从大量的男性尿液中，纯化出15 mg的物质，他把这些化学物质称为雄酮(androsterone)，andro–指的是雄性，–ster–指的是固醇类，–one的字根指的是酮类(ketone)。Butenandt在1931年的汉堡化学年会上发表了他的发现。当时对此化合物的结构式并不完全了解。1934年， Butenandt和Hanish研究小组、Ruzicka和Wettstein研究小组，几乎同时发表了描述人工合成睾酮方法的论文。两个合成睾酮的方法以及睾酮结构式是在1934年由瑞士苏黎士的化学家Ruzicka(1887–1976)所确认的。因此，Ruzicka与Butenandt同时获得1939年的诺贝尔化学奖。 (2)雌激素的发现和应用
内分泌学之父、法国生理学家查尔斯?爱德华?布朗塞奎(Charles Edouard Brown,Sequard)是最早对激素替代疗法(HRT)感兴趣的人之一。1889年，他给自己静脉注入睾丸萃取物后，发现自己的衰老过程得以延缓。因此，他提出卵巢萃取物可能会对妇女产生相同效果的假设。8年后，世界上第一份有关卵巢萃取物能够缓解绝经后血管收缩症状的报道发表。当人类跨入20世纪，各国科学家对于雌激素的研究也迈出了一大步。1906年，英格兰的马歇尔(F.Marshall)和乔立(W.Jolly)发现，卵巢产生的两种物质对月经和受精都有影响。这就是日后所谓的“雌激素”和“黄体酮”。1919年，奥地利生理学家路德维格?哈布兰特(Ludwig Haberlandt)提出“口服避孕药”的假设。他把怀孕兔子的卵巢萃取物皮下注入母鹿体内，使之不孕。8年后，他又成功通过注射卵巢萃取物让老鼠暂时不育。
1929年，美国圣路易斯的多西(E. Doisy)和德国的阿道夫?博特纳特(Adolf Butenandt)各自从孕妇尿液中成功以晶体形式分离出发情期产生的物质。两人都认为这是一种羟基酮。同年，塞夫霖豪斯(E. L. Severinghaus)和埃文斯(J. Evans)研究母牛的羊水衍生物。为了了解雌激素对女性的作用究竟如何，全世界第一次临床试验在1930年开始:不溶于水的雌二醇和雌三醇与油混合后被注入人体皮下。而后，德国人伯恩哈德?邹德克(Bernhard Zondek)从马尿中提取出水溶的雌激素。伦敦的生物化学家盖伊?马里安(Guy Marrian)也在孕妇的尿液中发现了一种水溶雌激素，即雌三醇葡糖醛酸。
加拿大麦吉尔大学的詹姆斯?柯利普(James B. Collip)为自己从孕妇尿液中获得的月经素(emmenin)申请专利。月经素包含水溶的雌激素–雌三醇葡糖醛，是第一种包含合成雌激素的替代产品，1933年在美国上市。但之前的临床试验并不充分，而且价格不菲。
但讽刺的是，雌激素产品从奢侈品到日用品的转变，几乎是在一夜之间。为了阻止纳粹德国垄断合成性激素市场，1934年，英国人盖伊?马里安和多伦多大学的戴斯蒙德?比尔(Desmond Beale)公布一种方法，可以用孕马尿激素(PMU)大量生产雌激素。几个月内，全世界成千上万的医生们和数十家制药公司开始利用他们的公式生产合成雌激素。雌激素从实验室进入市场，只有短短数载时间，而且各国科学家各自为政，临床试验效果又没有科学跟踪、统计和分析。就这样，雌激素作为处方药出现在市面上，后来干脆就可以随意购买。它轻而易举地成为女性们避孕、预防流产、延缓衰老和减缓更年期症状的“灵丹妙药”。 10-6 精子的发生、发育与成熟
1679年，生物学家van Leeuwenhoek证实了精液中存在精子。1825年，Dumas用家兔证实了精子是参与卵子受精的物质。在脑垂体分泌的GtH作用下，精子的生成经历了精原细胞(spermatogonium)、初级精母细胞(primary spermatocyte)、次级精母细胞(secondary spermatocyte)、精子细胞(spermatid)几个阶段，最后经变态成为成熟精子(sperm)。各时期的生精细胞在生精组织中的排列都是有一定顺序的，一般情况下，精原细胞总是远离管腔并贴近于生精组织的基膜上，然后依次向中心排列，最内层(或管腔面)是精子细胞(图10–1)。
在生精组织的某一段(如曲精小管)或某一单元(如精小叶中的精小囊)中的生精细胞的发育总是同步的，这是由于从精原细胞到分化中的精子，细胞质并未完全分开，留有细胞质桥相连，胞质中的许多成分可以通过细胞质桥互相交流，沟通信息，而达到同步发育。
10-7 支持细胞的功能
支持细胞在FSH的刺激下，合成蛋白质增加，动用能量，形成睾丸液;支持细胞的胞质富含糖原和脂肪，能为各发育阶段的生精细胞提供营养、支持与保护;吞噬已死亡和受损的细胞(如变性的生精细胞)形成曲精小管液，维持神经细胞的分化、发育所需的微环境的稳态;支持细胞还可以合成雄激素结合蛋白(androgen–binding protein，ABP)与雄激素结合，能提高生精细胞周围环境中雄激素的浓度，可以是血浆中的上百倍，确保精子形成的必要条件;以支持细胞为基础形成的血–睾屏障，可防止生精细胞的抗原物质进入血液循环而引起自体免疫反应，并保障睾丸微环境的相对稳定;支持细胞含有芳香化酶，可使进入胞内的雄激素芳香化为雌二醇，能反馈性地抑制间质细胞合成和分泌睾酮，使生精过程调节更加精细、完善。
目前已知支持细胞生成和分泌的活性物质十分复杂多样:? 泌抑制素(inhibin)，是相对分子质量为32?103的糖蛋白质激素，由α和β两个亚单位组成，有抑制素A和抑制素B两种类型。两种类型的抑制素均可直接作用于腺垂体的促性腺细胞，在生理状态下抑制素对FSH的释放有抑制作用，而对LH无明显作用，但大剂量的抑制素也能抑制LH的分泌。抑制素又称卵泡抑素(follisatin)，主要由卵巢的颗粒细胞和精巢的支持细胞分泌，也有少量是由精巢的间质细胞合成。另外，在脑、垂体、骨髓、脊髓、肾和肾上腺等多种组织内也存在抑制素及其α、β亚单位mRNA表达。? 激活素(activin)，是由两个β亚单位组成的二聚体或异二聚体。有促素A和促素AB两种类型，它们的相对分子质量分别为24?103和28?103。激活素对FSH有兴奋作用，对GnRH有协同作用。
10-8 精液及精液的保存
要保存精液(semen)，必须减少或停止精子的能量消耗，即减少或停止精子的运动和代谢活动。 (1)短期保存
短期保存又分为常温保存和低温保存。常温保存的温度在15,25?之间，又称室温保存。常温保存精液时需要添加稀释剂、营养物质以抑制精子的运动和降低代谢水平。为了防止细菌污染，可适量加入抗生素以抑制细菌的生长，延长保存时间。低温保存是将稀释后的精液置于0?或略高于0?的低温环境中保存，在这种低温条件下，精子运动完全消失而处于一种休眠状态，代谢降低到极低水平，而且混入精液中的微生物孳生与危害也受到限制，故保存时间一般相对延长。但由于精子的代谢活动并没有完全停止，能量仍在消耗，因此仍不能达到长期保存的目的。鱼类的精子与哺乳动物不同，它们在如此低的温度下，不会产生“冷休克”，所以低温保存的时间较短(几天到几十天)。
有的鱼类精子对氧气不敏感，如鲤科鱼类，有利用糖原进行无氧酵解获得能量的能力，所以可保存在密封
的瓶中。但有的鱼类的精子在低温保存时仍需要氧气，如大西洋鲑的精子在密闭容器中，2,3?时只能保存1 d左右，而在敞口容器中则可保存5 d以上;虹鳟的精子在2,4?的空气中可保存17d，而在纯氧中可存活23 d，若降至0?，在纯氧中可保存长达34 d。
(2)长期保存
精液在干冰(–79?)或液氮(–196?)等超低温条件下可以长期保存，又称冷冻保存。在此温度下精子处于假死状态，运动和代谢活动完全停止，生命以静止状态保存下来。超低温保存时，一般先将精液作适当稀释，加入一定浓度的防冻剂，置于2,4?平衡20 min后，再将精液滴在干冰上冻成颗粒后，装入小瓶浸入液氮中保存。使用时，在室温或水浴中复苏，以恢复运动和代谢。经过冷冻的精子存活时间大为缩短，因此复苏后应立即授精，以保持较高的受精率。
配制精液稀释液的基本要求是，不能激活精子，且与精液等渗或稍高渗。目前使用的稀释液一般是一些盐类或糖类。抗冻剂主要有甘油和二甲亚砜等，它们能渗入精子，在降温的过程中防止精子胞质形成冰晶或精子破裂。
10-9 17α，20β–双羟孕酮的产生和促排精作用
研究发现，鱼类进入排精期时血液中的17α，20β–双羟孕酮的浓度迅速上升，而在精子发生期是检测不出来的。有人认为，这种变化是由于临近排精期，精巢类固醇激素发生的途径由合成大量11–氧睾酮转而合成大量17α，20β–双羟孕酮。给未排精的Amago salmon注射促性腺激素，或连续两次注射17α，20β–双羟孕酮都能刺激排精，而注射睾酮或11– 氧睾酮对刺激排精无效，说明17α，20β–双羟孕酮可诱导排精。
10-10 卵泡及卵母细胞的发育
(1)卵泡的增殖期
卵泡的增殖期的长短因动物种类不同而异。哺乳动物及鸟类均在胚胎时期进行。其中牛、羊、绵羊分别在胚胎期45—110 d和39—90 d;猪在胚胎期间30 d至出生后7 d;兔在胚胎期21 d至出生后10 d才停止。因此，雌性哺乳动物在出生前就已经产生了大量的原始卵泡，出生时就已经决定了她一生所能释放的卵子数量。而爬行动物、两栖类和硬骨鱼类一生都可有卵子增殖。
(2)卵泡和卵母细胞的发育
卵泡和卵母细胞的发育同时进行，但又不完全同步(图10–2)。各种动物尽管卵泡生长发育及成熟各有其特点，但总体说来，不外乎是卵母细胞的细胞核与细胞质的生长、营养物质的积累、整个细胞体积的增大和进入减数分裂。在哺乳动物，随着原始卵泡中初级卵母细胞的生长，卵泡细胞分裂增殖，胞质中出现多层颗粒细胞，进而形成初级卵泡(primary follicle)。此时卵母细胞已开始第一次减数分裂，但并未完成，只是停留在分裂前期。该阶段可持续很长时间，直到雌性动物达到性成熟，卵泡和卵母细胞才进一步生长和成熟。对于大多数哺乳动物来说，性成熟后部分初级卵泡被激活，继续增殖，颗粒细胞不断增多，并分泌糖蛋白，介于初级卵母细胞和颗粒细胞之间，形成透明带(zona pellucida，ZP)，这时的卵泡发育为次级卵泡(secondary follicle)。次级卵泡进一步发育，颗粒细胞之间出现明显的卵泡腔，卵母细胞周围的颗粒细胞呈放射状排列，形成放射冠(corona radiata)，卵泡发育为成熟卵泡(mature follicle);与此同时，初级卵母细胞进一步完成第一次减数分裂，核内DNA加倍，细胞质和内容物增加，形成次级卵母细胞(secondary oocyte)和第一极体(first polar body)，次级卵母细胞在进行第二次减数分裂中期时停止，直到从成熟卵泡中排出且受精后才能继续完成第二次减数分裂，并排出第二极体(second polar body)。卵泡排卵后转化为黄体细胞(corpus luteum)。在诸多原始卵泡中，只有少数能发育成熟并最终排出卵子，而多数卵泡在发育过程中和卵母细胞一起退化消失，这一过程称为卵泡闭锁(follicular atresia)。在一个性周期中，单胎动物一般只有一个卵泡发育成熟，排出一个卵子;而多胎动物则多个卵泡同时成熟，排出多个卵子。
胚胎期 性成熟 受 精 原始卵泡 初级卵泡 次级卵泡 成熟卵泡 妊娠黄体 卵原细胞 初级卵母细胞 次级卵母细胞 次级卵母细胞 成熟卵母细胞(受精卵) 有丝分裂 开始第一次减数分裂 并停止在分裂前期 完成第一次减数分裂 排出第一极体 开始第二次减数分裂 并停止在分裂中期 完成第二次减数分裂 排出第二极体 透明带形成 卵泡腔出现 放射冠形成 性周期排卵 胚胎期 性成熟 受 精 性周期鱼类的卵泡的
发育、成熟过程与哺乳动物基本相似，但由于大多数鱼类是将卵母细胞排入水中，实行体外受精和胚胎发育，因此在卵泡发育上有明显的适应性特征。其卵泡膜上有由卵母细胞膜的微绒毛和滤泡细胞(即颗粒细胞)膜突起相互伸(深)入形成的放射带，一般鱼类的卵母细胞膜上仅有1个精孔，但也有的硬骨鱼类有3,9个精孔，在卵母细胞成熟之前，多数鱼类的精孔漏斗区被一个由卵原细胞分化而来、高度特化了的精孔细胞所占据，也有的鱼有3个、6,8个和10,20个不等的精孔细胞，但也有人认为它可能由滤泡细胞分化而成。精孔细胞不仅能堵塞精孔，也能分泌受精素一类的物质，使精子聚集在精孔处，并刺激精子增强活动力。卵母细胞的生长期由原生质生长逐渐过渡到营养物质的生长，卵黄开始积累直到充满卵母细胞，此乃初级卵母细胞时期;然后经第一次成熟分裂进入成熟期，形成短暂的次级卵母细胞，当进入第二次成熟分裂(有丝分裂)中期，就形成卵细胞，也就是成熟卵。此时卵膜上的精孔细胞消失，精孔出现，成为精子入卵的通道，当第一个精子入卵后，精孔管内立即被一种絮状物质——受精素堵住，以阻止其他精子入卵;另外，鱼类的卵巢内有许多卵泡同步发育成熟，因此能同时排出许多卵子。
10-11 FSH促进排卵前雌激素高峰的形成
FSH水平的升高，一方面通过颗粒细胞的芳香化作用使卵泡内部雌激素浓度增高，另一方面又促进了颗粒细胞的雌激素与FSH受体数量进一步提高，进一步增强受体对这两种激素的敏感性，产生更多的雌激素;在FSH作用下，颗粒细胞还分泌一种糖蛋白激素抑制素(简称抑制素)，能刺激卵膜细胞产生雄激素，雄激素又刺激、促进抑制素的分泌，形成一种局部正反馈作用，结果又增加了雄激素的产生和芳香化，加速了雄激素向雌激素的转化率，因此，到排卵前雌激素浓度达到高峰。再加上颗粒细胞分泌的类胰岛素样生长因子，更促使颗粒细胞的肥大。这完全是一个自我驱动机制。
10-12 各种动物精子获能所需时间
10-13 几种动物的射精量和精子浓度
10-14 精子在雌性动物生殖道内保持受精力和活动力的时间
10-15 精卵识别机制和胚胎着床的机制
(1)精卵识别机制
精子与卵子在输卵管壶腹部相遇后，精子与卵子发生特异性识别。精子表面的糖蛋白与卵子的透明带(zona pellucida，ZP)糖蛋白糖基匹配互补，完成精卵的一级识别。习惯上将精子糖蛋白称为卵结合蛋白，而与其结合的卵ZP糖蛋白称为精子受体(sperm receptor)。目前发现有3种ZP蛋白，包括ZPl、ZP2和ZP3。其中，ZP3与完整的精子结合，诱发精子的顶体反应(acrosome reaction，AR);ZP2则与发生顶体反应的精子结合，可阻止多精子受精。发生顶体反应后，进入卵周间隙的精子在 15,25 s内即与卵细胞膜结合，完成精卵的二级识别，同时丧失运动能力。
(2)胚胎着床的机制
排卵前雌激素使子宫内膜上皮增殖，排卵后低水平的雌激素和孕激素才可使腺上皮增殖，为胚胎着床作准备。着床前胚泡所分泌的酶如?– 3β– HSD(羟甾类脱氢酶)、17β–HSD和子宫内膜及子宫液中存在的子宫球蛋白抗原可以导致透明带脱落溶解，使胚泡得以解脱，为胚胎着床提供了条件。另外，着床前由胚泡分泌的绒毛膜促性腺素可使卵巢黄体变成妊娠黄体，妊娠黄体分泌的激素使子宫内膜变成蜕膜，为孕卵着床和发育创造了条件。
引起胚胎在子宫内膜着床的具体机制尚不十分清楚，目前研究认为可能与胚泡刺激子宫内膜产生某种激肽(如胚激肽)，释放组胺，或与胚泡分泌的蛋白水解酶和产生的CO2有关。孕激素可使两宫角的子宫内膜产生胚激肽，它促使胚泡生长发育，产生绒毛，并使绒毛含重碳酸离子(HCO 3,)，它与子宫内膜内的碳酸酐酶的化学作用，使局部呈高碱性，致局部内膜组织解体，为着床奠定了基础。胚泡产生的CO2扩散到子宫内膜，可使滋养层细胞(trophoblastic cell)和子宫内膜上皮细胞表面的黏蛋白黏性增高，有利于着床时胚泡的黏着并植入。CO2还能刺激子宫内膜的基质发生蜕膜反应(decidua reaction)等。 10-16 胎盘的类型
根据胎盘的形状和绒毛与子宫内膜的联系程度，可以将胎盘分为4种类型:上皮绒毛膜胎盘(如马、猪、骆驼)、结缔组织绒毛膜胎盘(如牛、山羊、绵羊)、内皮绒毛膜胎盘(如猫、狗、狐)和血性绒毛膜
胎盘(如兔、食虫类、人)。
10-17 关于GtH分泌细胞及其分泌颗粒形态、活动特征以及激素的种类、化学本质和功能的研究 1.日本学者对鱼GtH分泌细胞发育时相的划分
日本学者对鱼GtH分泌细胞的超微结构的研究，将分泌细胞发育时期划分为5个不同时相。其中?时相是鱼类处于生殖活动静止期，细胞内有丰富的线粒体和形状不规则的内质网，分泌小泡很小;第?、第?时相，是鱼类处于排卵前期，第?时相细胞内有大量的分泌小泡;第?时相的细胞，分泌小泡已经减少并出现一些扩大的内质网池;第?时相时鱼类处于排卵和产卵期，细胞内分泌小泡大大减少，扩大的内质网池进一步增多;第?时相是鱼类产卵之后，细胞内很少见到分泌小泡，一些扩大的内质网池相连形成更大的池，细胞核不规则，核膜模糊不清。产后不久分泌细胞逐渐过渡到第?时相(图10–3) (2)关于GtH分泌细胞的分泌颗粒的化学结构与功能初探
关于鱼类GtH分泌细胞内的分泌颗粒的研究结果较为一致，即存在两种分泌颗粒:小的分泌颗粒数量多，嗜碱性，电子密度大;大的分泌颗粒多为球形，数量少，嗜酸性，电子密度小。当鱼类排卵时或注射哺乳类的促黄体素释放素(LHRH)后，GtH细胞中的小颗粒显著减少，说明小颗粒与排卵有直接关系;而大颗粒在注射LHRH后无明显变化，因此有关大颗粒的作用还有待进一步研究。
鱼类的GtH已经从多种硬骨鱼类的脑下垂体中分离、纯化出来，如鲤鱼、虹鳟、大鳞大麻哈鱼(Oncorhynchus tschawytscha)、大麻哈鱼(O.keta)、罗非鱼(Tilapia mossambica)等。这些硬骨鱼类的GtH具有高等脊椎动物促性腺激素的一些结构特点，是一种糖蛋白质。但是，硬骨鱼类GtH的种类和功能如何，直到20世纪70年代初仍未完全清楚和取得一致看法。
(3)关于GtH?和GtH?的亚单位结构
鱼类的GtH?和GtH?均由α和β两个亚基组成，其中在每种动物中α亚基是相同的，而β亚基都是不同的，激素的特异性是由β亚基所决定的。不同的基因分别指导α和β亚基的合成，二者在细胞质中以非共价键结合，形成具有生物活性的二聚体分子蛋白。鱼类的GtH与哺乳动物(牛)的FSH、LH相比较，在cDNA编码的氨基酸顺序上GtHI的β亚基与FSH的β亚基相似，GtH?的β亚基与LH的β亚基更为相似。
用放射免疫测定大麻哈鱼和虹鳟的GtH发现，在精子发生和卵黄生成的早期，脑垂体和血液中的GtH以GtH?为主，脑垂体的GtH?含量大约是GtH?的10倍;而在性腺发育成熟、排精与排卵时，则以GtH?为主，这时，脑垂体的GtH?含量是GtH?的2倍(雌鱼)到6倍(雄鱼)。
尽管在鲑科和其他一些鱼类的研究已经证明有GtH?和GtH?两种GtH的存在，但是，在另外一些鱼类仍未能证实GtH?的存在。例如，在非洲鲶鱼，脑垂体中只含有和产生GtH?的细胞，甚至在脑垂体cDNA文库中亦未能检测到类似GtH?β亚基基因。
10-18 关于GnRH家族的功能域及受体基因的表达
到目前发现GnRH家族至少已有24种类型，其中14种来自脊椎动物，10种来自无脊椎动物。除章鱼GnRH(otto GnRH)外，所有的GnRH都由10个氨基酸组成，其分子长度和部分氨基酸序列非常保守。每种脊椎动物都产生多种GnRH类型。氨基酸序列分析表明鱼类的GnRH-R属于G蛋白耦联受体家族中视紫红质亚族中的β亚群，它们由3个主要功能域组成，包括N端细胞外功能域、7个跨膜功能域和C端细胞质功能域。脊椎动物有3种GnRH –R类型，而鱼类的GnRH –R主要有两种类型，每种类型还包括2,3个亚型。编码不同的GnRH –R类型的基因，具有不同的基因结构。GnRH –R基因的表达主要集中在生殖系统及相关的器官与组织，但每种鱼类GnRH –R的不同类型与亚型在组织或细胞中的具体分布有所不同。
对下丘脑粗提物的放射免疫研究表明:硬骨鱼类(罗非鱼)、爬行类(龟)和鸟类(鸡)的GnRH有相似的免疫反应。用阳离子交换树脂、亲和层析和高效液相研究进一步表明:鱼类、爬行类和鸟类的GnRH很相似，而两栖类和哺乳类的GnRH很相似。对一些硬骨鱼类下丘脑提取物的层析和免疫反应研究表明:它们的GnRH和哺乳类的促黄体素释放素(luteinixing–hormone releasing–hormone，LHRH)虽有相似的化学结构，但并不一样，在十肽的第七和(或)第八氨基酸不同。
哺乳类GnRH: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
(mGnRH) 焦谷 – 组 – 色 – 丝 – 酪 – 甘 – 亮 – 精 – 脯 – 甘 –NH2 大麻哈鱼GnRH: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
(sGnRH) 焦谷 – 组 – 色 – 丝 – 酪 – 甘 – 色 – 亮 – 脯 – 甘 –NH2 10-19 下丘脑释放GnRH的神经核团及其对GtH合成与释放的调节作用
神经内分泌细胞的细胞体在下丘脑内形成一些细胞群，硬骨鱼类分泌GnRH的细胞集中在3个中心:外侧结节核(NLT)、视前核(NPO)和端脑。由NPO神经元产生的激素主要释放到位于神经垂体和腺垂体之间的血液通道，有些鱼类的NPO还把纤维直接分布到腺垂体的细胞; NLT的神经元能直接发出纤维分布到垂体间叶的分泌细胞，并在连接处释放激素。许多学者认为，在这些神经中有两种性质的神经纤维同时支配着GtH分泌细胞，这可能反映下丘脑对GtH的合成与释放有不同的调节作用(见第9章)(图10–4)。
Peter和Crim发现电流损伤金鱼的NLT和NPO都使卵巢退化与性成熟系数降低。Dodd等损伤太平洋鲑鱼(Salmo salsr)的NLT，亦使性成熟系数和脑垂体的GtH含量明显下降。用对脑部有神经毒作用的单钠谷氨酸盐(monosodium L–glutamate，MSG)，以2.5 mg/g体重的剂量对金鱼做腹腔注射，NLT在注射后1,2 d肿大，5,8 d后坏死;在视前区的前腹侧亦有一小块细胞坏死，脑的其他部分未受影响。注射MSG后的第2 d，金鱼血清GtH水平显著增高，即与NLT神经元肿大的时间一致。
所以，血清GtH水平明显增高反映NLT神经元的GnRH释放作用受到了刺激。同样，成熟雌金鱼的性成熟系数在MSG注射后第5 d增高，亦反映了损伤刺激NLT对血清GtH水平短期增高的影响作用。发现MSG注射后的长期效果是使性成熟系数下降。根据这些研究结果表明:用电流或者MSG损伤NLT时，是通过刺激GnRH分泌而对GtH分泌有促进作用。
卵巢正在发育或者已经发育成熟的雌金鱼，其血清GtH水平表现明显的昼夜周期性，而卵巢退化的雌金鱼则没有，由此可见血液中GtH水平的明显昼夜周期性对促进性腺活动是很重要的。损伤NLT对金鱼卵巢发育的影响，可能就是因为消除了血液GtH水平的昼夜周期性。因为做假手术对照雌金鱼，血清GtH水平表现明显的昼夜周期性，卵巢的性成熟系数亦较大，而损伤NLT的金鱼血清GtH水平没有昼夜周期性，卵巢的性成熟系数较小，这就说明金鱼的NLT参与引起血液GtH水平的昼夜周期性调节;消除这种昼夜周期性而不使血液GtH水平下降，可能就是导致卵巢退化的原因。
10-20 下丘脑释放GRIF的神经核团
研究表明下丘脑释放GRIF来自下丘脑视前隐窝区的前腹视前围脑室核(nucleus preopticus
periventricularis，NPP)，并从这个中心经过侧视前区、前侧下丘脑和脑垂体柄而到达脑垂体(图10–4)。采用mGnRH或大麻哈鱼型GnRH(sGnRH)的抗血清对金鱼脑的免疫组织化学研究表明:GnRH核周体主要集中在靠近视前围脑室核(NPP)和视前核的外侧以及前围脑室前部的外侧视前区。所以，在金鱼下丘脑，GnRH核周体的分布和GRIF中心部位虽然靠近但并不重叠，说明它们有各自不同的细胞来源。 10-21 卵巢的类型和卵泡的分期
鱼类卵泡的发育、成熟过程与哺乳动物基本相似，但是由于大多数鱼类是将卵母细胞排入水中，体外受精，胚胎完全在体外发育，因此卵泡内营养物质的积累显得十分重要。大部分鱼类的卵巢为一对中空的囊状器官，卵巢由间膜悬挂在体腔后部;有的种类，如青鳉的卵巢两者合为一个长袋状。卵巢腔的后端延伸形成输卵管，左右卵巢各有一个输卵管，并在后端相融合为一，开口于生殖孔。卵巢内部腹面存在几个与卵巢长轴相垂直的隔膜和多数的薄板。在隔膜上不存在卵泡，只是把卵巢隔开;薄板存在于隔膜间，薄板内排列2,3层卵巢卵泡。另外，卵巢的背侧面存在卵巢腔，卵巢腔在后面与输卵管相连。这种卵巢，卵泡成熟后脱离薄板进入卵巢腔内，然后经输卵管将卵母细胞排出体外，这种卵巢称为囊状型。和它相对应的大麻哈鱼的卵巢，只有它前端的小部分完全被卵巢壁包围，其他部分暴露于体腔，卵泡成熟后从薄板滤泡排出的卵母细胞游离进入体腔、通过输送沟、生殖孔排出体外。还有如鲟鱼、鳗鲡等，它们的卵巢为裸状型，卵泡暴露于体腔。鱼类卵泡的发育、成熟，一般包括3个阶段:
(1)卵原细胞增殖期
初级卵原细胞通过有丝分裂不断增殖而产生许多次级卵原细胞。
(2)卵泡生长期
次级卵原细胞生长发育为初级卵母细胞。这个时期又可再分为小生长期和大生长期。 ? 小生长期:是指卵母细胞的核与原生质的生长阶段，而滤泡膜(卵泡膜)由单层滤泡上皮组成。 ? 大生长期:指卵母细胞的卵黄生成(vitellogenesis)阶段，是卵泡相当长的生长期。由于卵黄积累而使卵泡及卵母的体积显著增大，如虹鳟的卵泡，在此生长期直径由20 nm增长到4 mm，这个时期的滤泡膜由双层滤泡上皮(即颗粒细胞层和膜细胞层)组成(图10–5)。
(3)卵泡成熟期
卵黄生成阶段完成后，卵母细胞的体积增长到最大，细胞质中充满卵黄颗粒，核仍位于细胞中央，此时处于第一次减数分裂早期。接着细胞核移向动物极，靠近卵孔，出现卵黄与原生质的极化，核膜穿孔溶解，核仁离核膜边缘向中心移动，以后核膜消失，核仁分解，染色体显著。于是卵泡进入第一次减数分裂，排出极体，完成由初级卵母细胞向次级卵母细胞过渡。同时卵母细胞从滤胞膜脱出，这就是所说的排卵，卵母细胞进入卵巢腔，然后产卵。这时卵核处在第二次减数分裂中期，能够受精。
10-22 白鲢各期卵巢及成熟卵粒的化学组成
鱼类卵黄蛋白的成分与两栖类、鸟类的相似，都由卵黄脂磷蛋白和卵黄高磷蛋白组成。卵黄脂磷蛋白是一种含不稳定碱性磷较低的糖脂磷蛋白;卵黄高磷蛋白富含不稳定碱性磷，不含脂质和糖。虹鳟卵黄脂磷蛋白的相对分子质量约为30?105，卵黄高磷蛋白的相对分子量为4.3?104万道尔顿。另外，虹鳟卵黄中还出现一种β成分，相对分子质量约为2.1?104。
10-23 促成熟因子MPF的化学本质
MPF首先在两栖类中被分离出来，MPF由催化亚基Cdc2(cell division cycle2)和调节亚基Cyclin组成。Cdc2 和Cyclin的变化直接影响到MPF的活性。Cdc2的cDNA编码的蛋白质由302个氨基酸组成。该蛋白质上的Thrl4、Tyrl5和Thrl61这3个氨基酸残基是引发酶活性的磷酸化位点，具有高度保守性。Cyclin是Cdcl3 基因的产物，由482个氨基酸组成。
电镜观察表明，排卵时滤泡层的膜细胞微丝增加，这可能是排卵时所需要的某种类似肌肉或微丝的收缩。如果使用Mn2+ 或La3+ 等离子以抑制肌肉收缩时所必需的Ca2+ 流入，就会抑制离体卵泡排卵。电镜观察表明，在卵母细胞排出时，一些滤泡细胞由立方形变为柱形构型，这可能就是滤泡收缩的机能。但有关性类固醇激素对滤泡分离与破裂的调节作用还不清楚。单独使用性类固醇激素不能诱导离体的卵泡排卵，原因之一是性类固醇激素可能不是促使排卵的唯一激素因子，而必须有其他激素的协同作用。试验已表明，性激素可以和GtH一起相互作用诱导鱼类排卵。
10-25 光周期对鱼类产卵活动的影响
如果把鲶鱼置于光照(L)和黑暗(D)时间比例为L:D=12:12或14:10和水温25,34?的条件下36 d，能明显促使卵黄形成。卵黄形成的温度阈值为25?，较高的温度能加快卵黄生成过程，降低温度能起抑制作用。在产卵期之后，未产卵鲶鱼的卵巢退化在较高温度下要比在较低温度下迟缓得多;而光周期对卵巢退化没有明显影响。所以对春季产卵的鱼类提高水温，延长光照可以使其提前产卵。在华南亚热带地区，水温较高，光周期较长，加上较丰富的饵料条件，鲤科鱼类性成熟一般比北方地区早1,2年，如鲢鱼的成熟年龄为2,3年，鳙鱼为4年，草鱼为4,5年;在华中地区，鲢鱼为3年，鳙鱼为5年，草鱼为5,6年;在华北和东北，鲢鱼为5,6年，鳙鱼为6,7年，草鱼为6,7年。试验和生产实践都已证明:适当提高水温能促进我国北方地区的鲤鱼性腺提早成熟和产卵。在华南地区每年4—5月份人工催产后的亲鱼经过培育，还可在6—9月份时进行1,2次人工催产。
光周期长(L:D=15:9)或短(L:D=8:16)，甚至连续照明都不能诱导鲑鱼性腺发育;但在2—6月缩短光周期(由L:D=16: 8?8:16)能诱导精子生成和排精，缩短光周期并在较高的温度(16?)下，能明显加快精子形成和提高血浆GtH含量，表明温度亦起着重要作用。
鲻鱼类鲻鱼(Mugil cephalus)，在夏威夷地区是每年1—2月产卵，而卵黄生成是在每年的短光周期开始时进行。试验表明持续的短光周期(L:D=6:18)可在49,62 d内有效地促进卵黄生成，而对照组的卵黄生成
推迟到第235 d才开始。所以，在正常的季节之外，可采取短光周期和较高的温度(21?左右)促使鲻鱼性腺发育，并且能使它们的繁殖季节延长而全年都能得到成熟卵。
10-26 其他因子对鱼类产卵活动的影响
雄鱼对雌鱼的刺激不仅通过视觉，雄鱼分泌的信息素也可以刺激雌鱼产卵。有些鱼类产卵需要有卵的附着物存在，如水生植物等，它们在缺乏附着物时即使满足了水温往往也不能产卵。流水刺激对许多在流水中产卵的鱼类性腺的成熟、排卵、产卵极为重要。蓄养条件下特别是雌鱼常由于某些生态环境刺激强度不够，卵泡不能从IV期顺利过渡到V期，而不能排卵、产卵。在进行人工催产时，适当给予流水刺激(人工冲水)，对性腺迅速过渡到V期也有促进作用。对于洄游鱼类，盐度也是一个影响性腺发育成熟的因子。如大麻哈鱼在海水中生长，必须回到淡水中产卵;鳗鲡则相反，必须返回到
第10章 生殖与泌乳 2 02000
海水中繁殖。
10-27 乳腺的发育
(1)结构
乳房主要有两种组织，一种是由乳腺腺泡和导管构成的腺体组织(实质)，另一种是由结缔组织和脂肪组织构成的起保护和支持腺体组织作用的间质。腺泡由分泌上皮构成，是分泌乳汁的部位。腺泡的数目决定着乳腺泌乳能力。导管起始于与每个腺泡相连接的细小乳导管，逐级互相汇合形成多条中等的乳导管、较大的乳导管和8,12条大的乳导管，最后止于乳池(cistern)。腺泡、导管和乳池是储存乳汁的地方，统称为乳的容纳系统(milk–collecting system)(图10–6，图10–7)。
乳腺腺泡和细小乳导管外层都有一层肌上皮细胞围绕，并互相连接成网状，收缩时参与腺泡中乳汁的分泌。较大的乳导管和乳池周围有平滑肌围绕，收缩时参与乳的排出。围绕乳头部的平滑肌排列成环形，形成乳头管括约肌，使乳头管在不排乳时保持闭锁状态。
乳腺的每一个腺泡周围都布满稠密的毛细血管网，血液供应丰富，为腺泡生成乳汁提供了丰富的营养物质和氧。另外，乳腺还有丰富的淋巴系统。
乳腺中有丰富的传入和传出神经(图10–8)。传入神经主要为感觉神经，来自第一、第二腰神经的腹支腹股沟神经和会阴神经。这些神经在各腺泡间形成稠密神经网丛。猪、狗等的乳腺还接受肋间神经和胸外神经等的支配。乳腺的传出神经来自交感神经系统，在泌乳的条件反射中起着重要作用。
乳腺各部分有丰富的内、外感受器，感受机械、化学、温度、压力等各种外来和内在的刺激，对泌乳的反射性调节起重要作用。
(2)乳腺的生长发育
乳腺的生长发育GN 生殖功能密切相关。
? 出生后至初情期:乳腺只有很小的腺乳池和极不发达的导管系统(图10–9A)。但纤维结缔组织和脂肪组织却发育良好，并具有类似成熟乳腺那样的分叶结构。乳房增大主要是由于纤维结缔组织和脂肪增生，腺组织只有导管稍微生长。
? 初情期到性成熟:随着发情周期的建立，乳腺的生长发育也经历周期性变化。在每次发情周期的卵泡期，乳腺导管系统迅速生长，并在黄体期开始形成少量发育不全的腺泡。在间情期，乳腺生长停止，导管系统稍微缩小。在一次又一次重复的发情周期中，导管逐渐形成分支复杂的导管系统，乳房体积也明显增大，但一般不形成真正的腺泡(图10–9B)。
? 妊娠期:在妊娠早期，导管系统的长度不再显著增加，细小导管的末端膨大形成腺泡，小叶已经很明显，但缺乏腺泡腔(图10–9C);妊娠中期，坚实的腺泡渐渐出现分泌腔，腺泡和导管的体积不断增大，同时乳房内的血管和神经纤维也不断增生(图10–9D);妊娠后期，腺泡进一步增大，腺上皮开始具备分泌功能，临分娩前，腺泡分泌初乳(图10–9E)。
图10–9 乳房发育的步骤(A~E)
? 泌乳期:分娩后，乳腺细胞增多，乳腺组织发育完全，泌乳逐日增加，直至高峰。在泌乳后期，乳腺开始回缩，泌乳下降。
各种哺乳动物的乳腺发育情况不尽相同，雪貂在怀孕后乳腺才开始发育;兔在性成熟时乳腺导管才稍有生长;猪的乳腺在怀孕时发育显得迟缓，分娩前4 d才有明显的变化，分娩前2 d乳腺腺泡和分泌物中初次出现脂肪小球。
(3)乳腺的回缩
当泌乳后期泌乳活动从高峰明显下降时，或在泌乳早期终止哺乳(挤乳)时，乳腺腺泡和导管系统开始渐渐萎缩，分泌减少，腺上皮细胞自溶崩解，并被巨噬细胞移除，腺组织逐渐被结缔组织和脂肪组织所代替，这一生理过程称为乳腺的回缩(involution of mammary gland)。
乳腺回缩具有重要的生理意义，畜牧业实践证明，为了使乳牛在下一个泌乳期获得高产，必须在每一次泌乳期后有一个干乳期。在干乳期中，乳牛的腺组织能最大限度地重新形成，体内的脂肪储备也可较好地得到补充。乳腺的改建进程在年龄较大的母畜中进行得比较迅速，如牛的干乳期平均40,60 d;而年轻乳牛常需要较长的改建时间，干乳期需70 d以上。乳牛一般在第6,8个泌乳期中，乳腺的发育达到最大程度，泌乳量也达到最高峰。以后随着年龄增大，每次乳腺改建的程度逐渐减退，泌乳量也逐年降低。 10-28 乳汁的生成
(1)乳脂的合成
乳脂几乎完全呈甘油三酯状态，磷脂及其他仅占2%,3,。组成甘油三酯的脂肪酸是C4,C18饱和脂肪酸以及不饱和脂肪酸——油酸。合成乳脂的原料，一部分来源于血液中的甘油和脂肪酸，另外一部分则来源于糖类的转变。对于非反刍动物，可利用糖酵解过程中由葡萄糖产生的甘油和脂肪酸;对于反刍动物，则利用瘤胃内微生物对糖类发酵时产生的乙酸和丁酸合成脂肪酸(其中丁酸首先要在瘤胃壁代谢产生β –羟丁酸)，利用糖酵解途径和甘油三酯降解产生的甘油。反刍动物乳脂中的全部短链脂肪酸(碳原子4,14)和50%左右的16碳脂肪酸由乳腺利用乙酸和β –羟丁酸合成，另外50%的16碳酸和长链脂肪酸则直接利用血浆中的甘油三酯。乳脂在乳腺分泌上皮细胞的颗粒性粗面内质网中形成脂肪小球，当脂肪小球从细胞内挤出时，主要由质膜包围脂肪小球形成薄膜(图10–10)。
(2)乳糖的合成
合成乳糖的原料为半乳糖和葡萄糖，其中葡萄糖来源于血液。半乳糖中，大部分是由葡萄糖在乳糖合成酶的催化下转变而成，另外一部分则由其他物质异生而来，例如反刍动物瘤胃发酵产生的丙酸可被用于合成乳糖。葡萄糖转变成半乳糖的过程在机体的多种细胞内部均可进行，但半乳糖与葡萄糖结合生成乳糖的过程只能在乳腺分泌上皮内进行。
(3)乳蛋白的合成
酪蛋白、β –乳球蛋白和α –乳清蛋白，都是由乳腺分泌细胞合成的特殊乳蛋白。合成这些蛋白质的原料是血液中的游离氨基酸。其中必需氨基酸全部来自血浆;非必需氨基酸除一部分来自血浆外，另一部分可由乳腺合成。
(4)免疫球蛋白的合成和分泌
反刍动物初乳中的免疫球蛋白是IgG或IgG2，来源于血液，由腺泡上皮选择性地转运进乳中。人和家兔初乳中的免疫球蛋白主要是IgA，由淋巴细胞 –浆细胞在腺体附近合成。免疫球蛋白和其他血浆蛋白可能是以“转运泡”的形式从组织液穿过腺泡上皮进入乳中。
10-29 乳牛初乳的化学成分的逐日变化情况
10-30 不同动物乳的成分
脂肪:乳中的脂肪在常温下呈液态，以球体的形式相互集合，均匀地浮游于乳中而呈乳胶状态。乳脂中90%的是油酸、软脂酸和其他小分子脂肪酸的甘油三酯，其余为甘油二酯、甘油一酯、磷脂和微量胆固醇。
蛋白质:乳中的蛋白质主要是酪蛋白，其次是乳清蛋白。例如，牛乳中蛋白质总量为3.4%左右，其中2.8%是酪蛋白，0.6%是乳清蛋白。乳中的酶类很多，主要有过氧化氢酶、过氧化物酶、脱氢酶和水解酶等。
糖类:绝大多数动物乳中的糖类是乳糖，且具有较高的浓度，是维持乳正常渗透压的主要溶质。乳糖在乳糖酶的作用下被消化吸收。乳糖还能被乳酸菌分解生成乳酸，也可被某些微生物分解产生乙醇。大多
数幼年哺乳动物的胃肠道内都含有乳糖酶，但多数成年动物(包括人)体内缺乏乳糖酶，所以成年人在饮入牛乳后有时会感到胃肠不适。
无机质:乳中几乎含有全部必需元素。乳中钙、磷、钾、镁和碘的含量常高于血液;而钠、氯、碳酸氢盐等的浓度则低于血液。乳中的钙磷含量丰富，且比例恰当(1.2:1)，有利于钙的吸收。乳中还含有多种微量元素。但乳中铁和铜的含量常不能满足幼畜哺乳期的需要。例如，仔猪在集约化饲养时，一般必须在饲料中补充铁盐，否则容易发生缺铁性贫血。
维生素:乳中的脂溶性维生素A、D、E来源于饲料。维生素K主要依靠前胃和肠道微生物合成。大多数哺乳类(除人和豚鼠外)都能合成维生素C。
生物活性物质:乳中还含有许多生物活性物质，如:一些激素(如胰岛素、甲状腺素、生长激素等)和生长因子(如胰岛素样生长因子、转化生长因子β等)。
其他:从植物饲料可获得色素(胡萝卜素、叶黄素)，血液中的抗毒素和药物也会进入乳汁。
随着转基因(transgene)和动物克隆技术的发展，对乳汁的成分进行人工改造，以提高乳汁的营养和免疫功能或用以生产药物已经成为现实。例如，通过转入乳糖酶基因，可以生产含有乳糖酶的牛奶，降低牛奶中乳糖的含量，以避免乳糖造成成年人不适。利用乳蛋白基因的乳腺特异性启动子驱动外源基因在动物乳腺中高效表达，可以从乳汁中源源不断地获得大量外源蛋白如抗凝血酶?药物等。这种能够特异性表达外源基因以生产药物等蛋白的转基因动物乳腺组织称为乳腺生物反应器(mammary bioreactor)。 10-31 案例分析讨论
案例1:某牛场的几只奶牛在产后乳汁很少，有的甚至完全无乳。请用泌乳生理学的知识分析其可能原因。
分析:充足的营养和良好的血液循环是生成足够乳汁的重要条件，营养不足或缺乏运动会导致产乳较少。另外，泌乳是一个非常复杂的生理过程，受到神经、体液诸因素的调节。当垂体功能紊乱，催乳素和催产素分泌不足时，可以使乳腺发育受阻，泌乳功能减退。管理不良如圈舍内混乱嘈杂、粗暴、惊吓、饲养无规律、天气过热、寒冷等外界因素都可能通过条件和非条件反射影响乳腺发育和泌乳。产乳较少可以通过改善饲养条件、加强营养、增加运动、温水清洗和按摩乳房以促进乳房血液循环、肌肉注射催乳素或催产素等方法改善。
案例2:一对夫妇结婚多年，性生活正常，但始终未能生育，请用生殖生理学的知识分析其可能原因。
分析:生育是一个非常复杂的过程。正常的生育必须具备下列条件:? 正常的精子和卵子，? 精子和卵子能正常结合而构成受精卵，? 受精卵的正常着床和发育。其中任何一个环节出现故障，都可能导致不育。导致女性不育的原因主要有排卵障碍、输卵管阻塞而影响受精卵通过、生殖道或血清中存在抗精子抗体、习惯性流产等;导致男性不育的原因主要有不能正常射精、精子质量异常、血清或精浆中存在抗精子抗体等。许多外界因素都可能通过影响男女双方的生殖系统而导致不育，如环境污染、有毒有害物质、营养不良等。
第11章 神经内分泌免疫调节
11-1 动物机体内的免疫系统
免疫系统主要由淋巴器官(胸腺、脾和淋巴结)、淋巴组织和免疫细胞(淋巴细胞、单核细胞、巨噬细胞、粒细胞、肥大细胞和辅助细胞等)组成。它是机体保护自身的防御性结构，能识别、记忆机体自身和非自身的细胞或外来物质。构成免疫系统的核心成分是淋巴细胞。淋巴细胞又分为T细胞和B细胞。T细胞是淋巴细胞中数量最多、功能最复杂的一类，是细胞免疫的主要成分。B细胞在血液中仅占淋巴细胞总数的10%,15%，受抗原刺激后，增殖分化形成大量浆细胞，分泌抗体执行体液免疫。 11-2 神经递质和神经肽对免疫功能的调控
11-3 关于条件免疫反应的研究
最早的例子是1896年麦克肯齐(Mackenzie)发现对玫瑰花粉产生过敏性哮喘的患者，见到人造的玫瑰花也会出现哮喘，当时对此尚不能作出满意的解释。到20世纪20—30年代法国的梅塔尼可夫(Metalnikov)等以豚鼠和兔为实验对象，以注射细菌或细菌毒素使血液中白细胞计数和抗体滴度升高为非条件刺激;以
搔抓皮肤或以热金属片刺激皮肤为条件刺激。当条件刺激与上述非条件刺激相结合(强化)后，再单以条件刺激刺激时，也可引起白细胞计数和抗体滴度升高。说明免疫反应已形成了条件反射。1975年，美国的阿德(Ader)和科恩(Cohen)重复了苏联巴甫洛夫实验室20世纪50年代的工作，以大鼠为实验对象，以饲喂糖水作为条件刺激，30 min后腹腔注射环磷酰胺(50 mg/kg)作为非条件刺激(习惯上将第一天结合称为0天)，第三天注射绵羊的红细胞，第6天再饲喂糖水而不注射环磷酰胺，对照组以普通水代替糖水，其余处置均与实验组相同。结果发现实验组大鼠的血清抗绵羊红细胞抗体效价明显低于对照组。提示糖水与环磷酰胺结合后具有了条件刺激的性质。这项工作之后，很多实验室报道了类似的结果。至此，条件免疫反应的研究受到了科学界的广泛重视。
调节免疫反应要求条件刺激在先，非条件刺激在后。如果两者结合的顺序颠倒则不出现免疫反应。它与经典条件反射一样，如果某一条件性反应一旦建立，在一定时间内，机体对条件刺激表现阳性反应，但如果反复给予条件刺激而不结合非条件刺激时，阳性反应逐渐减弱直至消失。
11-4 激素对免疫功能的调节
11-5 免疫系统产生的神经肽和激素
11-6 体内主要神经内分泌免疫调节环路
神经、内分泌、免疫三大系统相互联系、相互作用，在整体条件下，基本上是以较完整的环路为单位。机体内主要的神经内分泌免疫调节环路小结如下:
(1)下丘脑–腺垂体–肾上腺皮质(HPA)与单核巨噬细胞的 –环路MoΦM
此环路的中心是促肾上腺皮质素释放素(CRH)–促肾上腺皮质素(ACTH)–糖皮质激素(GC)–IL–1。具体包括:? 下丘脑CRH促进ACTH和GC合成、分泌;? ACTH和GC抑制M0–的功能，减少IL–1的生成;? 受刺激活化的MΦM0–产生IL–1，IL–1作用于下丘脑促进CRH释放，而后促进ACTH和GC的分泌;? ACTH和GC抑制IL–1的进一步生成。 ΦM
(2)下丘脑–腺垂体–肾上腺皮质与胸腺环路
? ACTH和GC抑制胸腺功能，包括抑制胸腺上皮细胞增殖和胸腺激素分泌;? 胸腺激素能促进 ACTH分泌;? 胸腺中含CRH受体并可合成CRH，而CRH对胸腺的某些功能有刺激效应。 (3)下丘脑–腺垂体–胸腺环路
? 下丘脑分泌生长激素释放素(GHRH)、催乳素释放因子(PRF)及促甲状腺素释放素(TRH)，作用于腺垂体，刺激GH、TSH和PRL分泌;? GH和PRL能影响胸腺生长发育、胸腺源细胞功能以及激素的合成，胸腺中可合成GH、PRL;? 胸腺肽可刺激GH及PRL从腺垂体释放;? TSH促进胸腺上皮增殖，提高外周(T)淋巴细胞数量。
(4)下丘脑–腺垂体–性腺轴系与胸腺环路
? 黄体生成素释放素(LHRH)刺激腺垂体释放LH和FSH，两者引起性腺分泌雄激素、雌激素和孕激素;? 雌激素和孕激素对胸腺功能有较强的抑制效应;? 胸腺中的胸腺素β4可在离体条件下刺激下丘脑释放LHRH;? 胸腺可分泌一种蛋白质成分，抑制性腺分泌性激素;? 胸腺上皮细胞可合成LHRH。
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