第4章　人体是如何保持最佳状态的

人为什么是恒温动物

动物细胞和器官所处的工作环境只有保持在特定的条件范围内才能发挥其最佳作用。我们的生理机制能够控制内部环境的诸多方面，能够为体内温度、电解质浓度、体液酸碱度（酸度）、氧气水平、组织中的碳水化合物浓度等提供最佳条件。当外部环境发生变化时，躯体所产生的稳定性的生理过程被称为内稳态（homeostasis），这是沃尔特·坎农（Walter Cannon） 在1929年提出的一个术语。

内稳态通过负反馈来运作。这一系统的运作通常类似于自动调控加热系统的运作。尽管这个比喻不太恰当，但正如我们所看到的，它确实有助于说明负反馈控制的基本原理。

图4–1 简单的负反馈控制系统

人体的负反馈控制系统

负反馈控制系统的基本特征如图4–1所示。

第一，系统变量，即需要控制的属性。在恒温器系统中，系统变量就相当于室温。第二，设定点（set point）是属性的目标值，在这种情况下，它是系统需要维持的温度值。第三，传感器。在本例中，它是某种形式的温度计，以检测和报告系统的当前状态。第四，比较器。它测试系统变量是否与设定点不同。第五，控制器。它是可启动和停止第六个特征（校正过程）的一种机制。在恒温系统中，它们分别是开关和加热器。通常情况下，传感器、设定点、比较器和控制器会结合在一起。例如，在室内恒温器中，传感器类似于双向金属条，当温度上升和下降时会弯曲，从而打开和关闭加热器。这种控制系统被描述为负反馈系统，因为系统变量的增加会反馈到控制器上，以关闭校正过程。以室内加热器为例，当传感器检测到温度下降到设定点以下时，它就会启动加热器，使温度上升。当温度计检测到温度已经上升到设定点以上时，就会停止加热器。

现在，诸如简单的室内恒温器这样的系统有许多局限性，这些局限性在控制室温方面可能仅仅会导致不便，但在内稳态机制中可能是致命的。第一个局限性是，恒温器的物理性质决定了它们无法精确地维持温度。相反，它们打开加热器的温度总是低于关闭加热器的温度。通常情况下，这种差异很大，你可以通过先打开然后再关闭室内恒温器的控制器来判断，并且你能够在恒温器的不同位置听到打开和关闭开关发出的咔嗒声。在生理系统中，这可能会导致代谢效率发生较大的变化。可以借助连续可变输出的加热器对此进行改进，该加热器是由检测到的温度变化来控制的。这类系统是一种服务系统，保留了基于负反馈工作的本质特征，因此生理控制系统更像是服务器。

简单的自动调控加热系统的第二个局限性是，它只允许在一个方向上进行校正。也就是说，如果温度上升到设定点以上，则无法降低温度。这一点可以通过增加另一个校正过程来解决，如果房间里太热，我们就可以打开空调使房间降温，空调再次作为一个负反馈系统开始运行。这也是生理控制的一个特征。

第三个局限性是，它容易受到部件或部件之间连接故障的影响，如果其中任何一个部件发生故障，那整个系统都将发生故障。解决方案是在控制系统中建立备用的连接，并使每个组件都有一个以上的备用连接，组件之间最好有一个以上的连接。如果校正过程的类型不同，这也是一个优势，能够使系统应对如能源故障这样的情况。依此类推，我们可能会发现，除了开始校正的机制之外，还有停止校正过程的饱腹感机制。这两者都是内稳态系统的特征。

促进体内平衡的内稳态行为

哺乳动物和其他恒温动物（主要是鸟类）能够将体温控制在一个特定的小范围内，这对于体内生化活动以及生理过程而言非常有利。其他种类的变温动物，如爬行类和两栖类动物则无法通过内部机制来调控自身的体温。当环境变冷时，它们的新陈代谢就会减慢；当环境变暖时，其新陈代谢会加速。它们控制体温的唯一方法是运动。为了提高体温，它们会寻找阳光，并调整身体的方向，以最大限度地吸收热量。为了给自己降温，它们会寻找阴凉处。哺乳动物也有这样的行为，例如，哺乳动物通常更喜欢在温暖的环境中休息。一般而言，我们将促进体内平衡的行为称为内稳态行为（homeostatic behaviour）。与体温控制一样，其他生理状态的控制也是通过生理内稳态机制和内稳态行为的结合来完成的。

人体是如何调节体内水分的

就像体温需要维持在一定的范围内一样，我们同样需要控制体内水分的含量。第一，由于某些物理过程（尤其是血液循环）需要将体内的水分含量和压力维持在一定的范围内，因此需要控制体内的总水量。第二，作为生命基础的生化反应依赖于特定浓度范围内的反应物质，就像它们依赖于维持在一定范围内的体温一样。某些躯体活动，包括体温调节、出汗和呼吸，以及尿液排泄等其他过程，都涉及身体水分的净损失。其中有些过程只损失水分（如呼吸），而有些过程则涉及损失电解质，特别是钠离子和氯离子以及水分（如出汗、出血、排尿）。

上述生化过程发生在细胞内，而细胞内液（intracellular fluid）中的电解质必须保持在恒定浓度。此外，细胞内液通过复杂的膜与组织液（interstitial fluid，即直接围绕在细胞间的液体）分离。正如我们在第2章中看到的，这些膜包含各种化学物质的受体，但它们也具有半渗透性（sem ipermeable）的特性。细胞膜有效地阻止了某些无机离子（如钠）的通过，同时允许水分子和细胞代谢的产物自由通过。通常情况下，细胞内液和细胞外液呈等渗（isotonic）状态，也就是说，各种液体保持细胞内外溶质（solute）浓度的平衡。如果细胞内溶质的浓度升高，它将变为高渗（hypertonic），水分就会进入细胞内重新建立平衡。同样，如果细胞内的浓度降低并变为低渗（hypotonic），水分将流出细胞，直到细胞内液和细胞外液再次达到等渗状态。这个过程被称为渗透（osmosis）。

除了允许食物、代谢废物和其他物质（如某些激素）进出细胞外，组织液还具有缓冲作用。它可以立即校正细胞的电解质浓度，使得基本的生化过程可以继续进行。反过来，组织液通过半透膜（sem ipermeable membrane）与毛细血管中的血浆接触。因此，为了使摄入的水分作用于细胞内液，必须将水分从胃肠道吸收到血液中，并从血液进入组织液。

我们应该清楚的是，体内水分的控制与电解质（尤其是钠）的控制紧密相连。通常情况下，我们摄入的水分和钠离子（主要来自食盐）远远超过了我们需要的。如前所述，我们体内水分流失的方式会涉及电解质的流失。大部分水和钠主要以排尿的方式流失，同时出汗和出血（包括创伤后和月经期间）也会导致损失大量的水和钠。人体在运动过程中以及在环境或身体温度升高时，因出汗而流失的水分也会大幅增加。

蒸发是流失水分而不流失电解质的主要方式。蒸发主要通过呼吸进行，也可以通过皮肤进行。排便也会使水分流失。任何失去水分的过程都不能完全关闭（比如我们要产生尿液才能排出废物），这就意味着需要置换水来维持血量和血压，维持细胞电解质浓度。我们现在必须考虑的问题是：控制这种水置换的机制是什么？在接下来的章节中，我们将探究可能对水和电解质平衡提供负反馈控制的生理机制，并试图确定先前概述的此类内稳态系统的组成部分。然后，我们将研究通过这些机制能在多大程度上解释人类的饮水。

人体是如何防止缺水的

口渴是一种自觉地需要喝水的感觉，只有在身体达到缺水状态时才会出现。我们通常会习惯性地喝水，例如在吃饭时喝水；或者我们预计会有特殊的饮水需求时，例如在炎热的天气里进行运动之前喝更多的水。此外，内稳态过程会严格控制体液与电解质之间的平衡。口渴通常出现在运动后，摄入食盐、利尿物质（如酒精）后或突然失血后。即使在最后一种情况下，人也只有在严重失血后才会觉得口渴，因为失血量约为10%的献血者通常不会报告口渴。

前面提到了补充流失水分的两个生理原因：一是维持血容量和血压的生物物理需求；二是维持细胞电解质浓度的生化需求。这两种不同的补水需求表明，可能有两种机制以两种不同的方式来补充流失的水分。水分主要通过水分蒸发和减少等渗液（排尿、出汗、呕吐和出血）流失的。这反过来又为我们提供了两种感觉机制的线索。其中，第一种机制是基于水量的流失，很可能是由失血引起的。

血流多了为什么会口渴

体内血容量损失引起的口渴被称为低血容量口渴，有时也被称为容量性口渴。这是一个独立的系统，通过抽血或向腹腔内注射从血液中提取的血浆物质（胶体）可以证明这一点。在这两种情况下，细胞外液的体积都会迅速缩小。尽管这两种情况都不会改变身体的电解质平衡，但都会导致饮水量增加。失血的直接后果是血压降低和体内血流量减少。人体具有专门的受体来处理这些变化，每一个受体都在低血容量口渴以及血压降低时的即时神经校正中发挥作用。肾脏中的血流受体一旦检测到血流量减少，就会将肾素（renin）分泌到血液中。肾素会启动一系列生化变化，导致血管紧张素（angiotensin）的循环。这具有许多生理作用：它能引起外周血管收缩（vasoconstriction，使血压立即升高），能够使肾上腺皮质分泌激素醛固酮（由肾脏产生盐潴留），刺激垂体后叶分泌血管升压素，从而引起肾脏滞留水分。

第二种降低血容量的特殊受体是位于心脏心房壁的压力感受器（baroreceptor），它们是检测有多少血液回流到心脏的牵张受体。回流的血液量越少，感受器受到的拉伸就越少。长期以来，生理学家一直认为，这些压力感受器与离开心脏的主要动脉中的类似感受器相结合共同控制血压。近年来，菲茨西蒙斯（Fitzsimons）及穆尔–吉伦（Moore-Gillon）的研究表明，减少到达心脏的血液量（通过使腔静脉中的气球部分膨胀，可使血液回流到右心房的静脉）会导致饮水量增加。反之，直接用充气球囊来刺激压力感受器，会导致饮水量减少。化学阻断血管紧张素受体不会影响这些结果，表明其作用与肾脏产生的肾素无关。

为什么咸的吃多了容易口渴

第二个控制体液平衡的生理机制主要基于细胞脱水。随着身体中水分的流失，组织液不能再替代细胞中的水分。这就导致了渗透性（或渗透压）口渴和饮水量的增加。证明这一点的一个简单方法是摄取盐分（例如，吃酒吧赠送的盐渍花生），其结果是组织液中的溶质浓度更高，导致水分从细胞中扩散出来，最终造成饮水量增加（酒吧的营业额也会增加）。

以上描述的过程发生在所有的细胞中，但现在我们已经知道，在大脑的多个部位有一些细胞通过将信号传递给其他区域来对高渗性做出特殊的反应，稍后我们将对此进行研究。早期的研究表明，这些渗透压感受器位于前外侧下丘脑和外侧视前区。然而，最近的研究对此提出了质疑，其他研究表明，渗透压感受器位于下丘脑终板血管器（organum vasculosum of the lamina terminalis，OVLT） 的内部和周围，下丘脑终板血管器位于血脑屏障外的室周器官（circumventricular organ，邻近第三脑室）的附近区域。喉咙、胃和肝脏中也有渗透压感受器，它们不会导致立即饮水。相反，它们通过不同的反馈回路运作，释放血管升压素，正如我们已经指出的，血管升压素会导致肾脏中的水分滞留。

图4–2 体液控制的主要中枢和机制

复杂的饮水控制机制

我们可以通过自主神经、激素和行为来控制电解质和水分的平衡。控制饮水的神经机制很复杂，至今人们尚未完全了解。图4–2是对主要中枢和通路的简化描述。

穹窿下器官（subfornical organ，SFO）是一种室周器官，它的损伤会终止人体对弱高渗溶液的正常饮水反应。正如我们所看到的，OVLT包含渗透压感受器。这些内脏器官有着丰富的血管供应，并且有效地处于血脑屏障之外。同时它们似乎适应了血液中的激素和高渗反应，刺激肾脏的血流受体后产生的血管紧张素附着在SFO的受体上。这些区域通过与大脑其他部位（包括垂体后叶）进行连接，促进了血管升压素的分泌（这种效果已被留意），以及对下丘脑区域自主神经系统的控制。行为效应似乎涉及一种机制，即来自SFO和OVLT的轴突终止于正中视前核（median preoptic nucleus，MPN）。MPN也接受来自心脏心房的压力感受器的直接感觉输入。因此，同样的控制和作用机制适用于容积性口渴和渗透性口渴。

外侧下丘脑和外侧视前区似乎本身并不具有渗透感受性，而是将信息传递给中脑网状结构中的带状区域（zona incerta）。带状区域和许多与控制动机行为有关的大脑结构有关，包括中脑导水管周围灰质。在某些未知的情况下，这会导致饮水行为。

塔纳卡（Tanaka）等人认为，我们在第3章中看到的参与维持唤醒的中缝核和SFO之间的神经网络在体液控制中发挥着关键作用。血容量减少会刺激臂旁核（parabrachial nucleus，PBN）和孤束核（nucleus of the solitary tract，NST），这两个核都是中枢神经系统接收自主传入神经信息的部位。这些信息将传递给中缝核，中缝核通过血清素与SFO联系。反过来，SFO监测血液中的血管紧张素，并与中缝背核以及血管紧张素能神经元进行交流。

可以看出，控制饮水的机制与体液平衡的自主控制密切相关。此外，这些机制还涉及众多不同的神经结构和神经递质的活性。未来研究需要继续提供有关这些机制的更多细节。

饱腹感机制如何起作用

在上述控制饮水机制的描述中缺少一点，即饱腹感机制。我们所研究的系统在充分改变系统以停止摄入水分之前会有相当大的滞后。例如，摄入的水流经胃肠道重新为细胞外液补充水分前几分钟，个体会不想饮水。尽管如此，人类和动物也只需摄入适量的水来补充体内水分的不足。这种饱腹感机制所在的明显位置是口腔中的渗透压感受器。就像我们主要通过口腔感觉到口渴一样，湿润的口腔表明我们暂时不需要饮水了，即口腔湿润确实能暂时缓解口渴。如果通过手术给大鼠做一个瘘管，在水到达胃之前把水从食管中排出，然后使它口渴并允许它饮水，那么它们润湿自己的嘴巴后就会立即停止饮水，但之后又会感到口渴并迅速摄入大量的水分。如果通过导管将等量的水分直接引入胃中，就不会出现这种短暂的停止饮水现象。这表明存在两种饱腹感机制：一种是短期机制，在口腔中最为明显，在胃肠道深处最不明显；另一种是长期机制，是基于喉咙、胃肠道后段和肝脏中的渗透压感受器的。如我们所见，当受到水分的刺激时，这些物质会抑制血管升压素的分泌，将水传递到动物胃肠道的不同位置。水分进入胃肠道越深入，对饮水的长期抑制作用就越大。

不口渴的时候为什么还要饮水

正如我在前面所说的，这些内稳态机制通常不会使我们达到非常口渴的缺水状态。前面的讨论大多是关于这种缺水引起的饮水，但这并不一定能告诉我们，作为人类，我们通常是如何避免陷入极端缺水状态的。摇头丸的主要危害是会导致体内水分和电解质的损失（通过出汗），这是药物摄入者可能无法预料或注意到的。运动员可以使用相同的策略，即饮用等渗饮料来避免这种效应的发生。事实上，我们通常不会等到极度缺水时才饮水。菲利普斯（Phillips）等人的研究表明，在正常的工作生活中，人类可以自由地喝水，但人们所报告的口渴、口干和口味方面的变化与任何相关生理变量的变化无关。

布思（Booth）总结了影响人类饮水的因素。饮水具有正向激励性。也就是说，这样做很好，我们才会这样做。通常，我们喝饮品是因为我们所喝的液体可以将其他物质（如酒精或咖啡因等活性剂）带入体内，或者仅仅是因为饮品的味道很好。随着躯体水分匮乏程度的增加，以及随之而来的口渴，我们更喜欢味道较淡，如糖、盐等浓度较低的饮品。相反，关于人类在脱水条件下的研究表明，如果现有的饮品很难喝，人们将不会喝大量的饮品来重新补充其组织的水分。饮用量也受到饮品温度的影响，因此任何饮品都有一个特定的温度范围，以提供最大的饮用动机。这个最佳温度取决于各种感官因素（例如，许多白葡萄酒低温下口感更好，红葡萄酒则在高温下更好）以及文化因素（布思认为英国人喝啤酒的最佳温度高于美国人）。最后，摄入饮品会受到社会因素的影响，当喝某一饮品的人越多时，个体喝这一饮品的欲望就会越高。更重要的是，当在社交场合喝饮品时，我们经常会选择含酒精的饮品。酒精本身就是一种利尿剂（会导致排尿量增加），它会刺激我们进一步摄入饮品以补充额外流失的水分。

知识提升

内部环境通过内稳态的生理过程维持在最佳状态。内稳态通过负反馈来运行，对体液的平衡控制，以及其他基于生理的动机的解释，都是基于相同的原理。饮水是血容量减少或电解质平衡改变的结果，其控制机制既有外周成分也有中枢成分，而且是基于大量的神经递质。这些机制高度冗余，并与自主神经和内分泌系统协同工作，以维持体液和电解质的稳态。饮水也受到饮食的刺激，并且和其他情况一样，受到学习的影响，所以饮水通常是由实际的组织缺陷引起的。水分具有正向激励性，饮水受到各种感官、社会和文化因素的影响。