विश्वविद्यालय जीवविज्ञान — वर्ष 1 · Bachelor Year 1

2किसी स्तनधारी का कार्यात्मक संगठन

विच्छेदन-पटल पर किसी खरगोश को खोलिए और पहला प्रभाव व्यवस्था का पड़ता है। एक पेशीय चादर, मध्यपट, धड़ को दो भागों में बाँटती है: एक वक्ष, जिसमें हृदय और दो फेफड़े हैं, और एक उदर, जिसमें बाक़ी सब — मुट्ठी भर का यकृत, एक आमाशय, चार मीटर आँत जो आमाशय जितने बड़े अंधनाल पर जाकर समाप्त होती है, और पिछली भित्ति से सटे दो गुर्दे। हर अंग की एक जगह है, एक रक्त-आपूर्ति है और एक काम; इनमें से कोई अकेले काम नहीं करता। यह अध्याय बताता है कि स्तनधारी एक कार्यरत समग्र के रूप में कैसे बना है: उसकी शरीर-योजना, वे तंत्र जिनमें उसके अंग समूहबद्ध हैं, वे द्रव-कक्ष जिनमें उसकी कोशिकाएँ रहती हैं, वे विनिमय सतहें जिनसे वह बाहर से मिलता है, और वह ऊष्मीय संतुलन जो उसे जनवरी के मैदान में $39\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ पर बनाए रखता है।

2.1 किसी स्तनधारी की शरीर-योजना

परिभाषा 2.1 (शरीर-योजना)

किसी जंतु की शरीर-योजना उसके अक्षों, गुहाओं और अंगों की वह सजावट है जो उसके समूह के सभी सदस्यों में साझा होती है। स्तनधारी की शरीर-योजना किसी कशेरुकी की है: द्विपार्श्व सममिति, जिसमें एक शिरोभाग मस्तिष्क और मुख्य ज्ञानेंद्रियाँ धारण करता है (शीर्षीभवन), कशेरुकों का एक पृष्ठीय अक्ष जो मेरुरज्जु को घेरता है, चार उपांग, और एक अधर देहगुहा — देहगुहा — जिसमें अंतरंग अंग रहते हैं। जो विशेष रूप से स्तनधारी का है वह यह: देहगुहा पेशीय मध्यपट से एक वक्षीय गुहा (हृदय, फेफड़े) और एक उदरीय गुहा (पाचन अंग, गुर्दे, जनद) में बँटी होती है; शरीर बालों से ढका होता है; शावक दूध पर पलते हैं; और ताप नियंत्रित होता है।

अधर की ओर से खोला गया एक खरगोश। मध्यपट वक्षीय गुहा (फेफड़े, हृदय) को उदरीय गुहा (यकृत, आमाशय, आँत, अंधनाल, गुर्दे, मूत्राशय) से अलग करती है। हर अंग एक नियत जगह पर है, एक झिल्ली में लिपटा है और अपनी ही वाहिकाओं से पोषित है।

परिभाषा 2.2 (अंग, अंग तंत्र)

अंग कई ऊतकों (अध्याय 4) से बनी वह संरचना है जो किसी निश्चित कार्य के लिए सजी हो: हृदय पंप करता है, फेफड़ा गैसों का विनिमय करता है, गुर्दा छानता है। अंग तंत्र एक व्यापक कार्य में सहयोग करते अंगों का समुच्चय है: पाचन तंत्र मुँह से गुदा तक चलता है और उससे यकृत तथा अग्न्याशय जुड़े हैं; परिसंचरण तंत्र हृदय और वाहिकाएँ हैं; उत्सर्जन तंत्र गुर्दे और मूत्र मार्ग।

2.2 अंग तंत्र और वे कार्य जो वे साधते हैं

प्रतिज्ञप्ति 2.3 (कार्यों के तीन समूह)

किसी स्तनधारी के अंग तंत्र कार्यों के तीन समूह साधते हैं:

पोषण: पदार्थ और ऊर्जा भीतर लेना और बाँटना तथा अपशिष्ट निकालना — पाचन, श्वसन, परिसंचरण और उत्सर्जन तंत्र;
संबंध: पर्यावरण को भाँपना और उस पर क्रिया करना — ज्ञानेंद्रियाँ, तंत्रिका तंत्र, अंतःस्रावी ग्रंथियाँ, कंकाल और पेशियाँ;
जनन: संतति पैदा करना — जनद, जनन मार्ग और, स्तनधारियों में, स्तन ग्रंथियाँ।

कोई तंत्र अकेले काम नहीं करता: हर अंग आपूर्ति के लिए रक्त पर, समन्वय के लिए तंत्रिका तथा अंतःस्रावी तंत्रों पर, और रक्षा के लिए कंकाल तथा त्वचा पर निर्भर है।

किसी स्तनधारी के अंग तंत्र, कार्य के अनुसार समूहबद्ध। परिसंचरण ही धुरी है: हर तंत्र रक्त से विनिमय करता है, और जो एक तंत्र भीतर लेता है उसे रक्त हर दूसरे तंत्र तक पहुँचा देता है।

उदाहरण 2.4 (घास का एक कौर)

खरगोश की घास कृंतकों से कटती है और चर्वणकों से पिसती है (कंकाल और पेशियाँ), चखी और सूँघी जाती है (इंद्रियाँ), निगली जाती है और आमाशय तथा छोटी आँत में पचती है; उसकी शर्कराएँ और ऐमीनो अम्ल आँत की भित्ति पार कर रक्त में जाते हैं और यकृत तक पहुँचते हैं, जो उन्हें हॉर्मोनी नियंत्रण में संचित करता है या छोड़ता है (अंतःस्रावी); उसका सेलुलोस अंधनाल में जीवाणुओं से किण्वित होता है; शर्कराएँ जलाने की ऑक्सीजन फेफड़ों से आती है, कार्बन डाइऑक्साइड उसी रास्ते जाती है, ऐमीनो अम्लों से बना यूरिया गुर्दों से जाता है, और पूरी प्रक्रिया की ऊष्मा त्वचा से। एक कौर के लिए सात तंत्र।

2.3 शरीर के कक्ष

परिभाषा 2.5 (द्रव-कक्ष)

जल किसी स्तनधारी के द्रव्यमान का लगभग $60\,\%$ है। उसका दो-तिहाई अंतःकोशिकीय द्रव है, कोशिकाओं के भीतर; एक-तिहाई बाह्यकोशिकीय द्रव है, यानी अध्याय 1 का आंतरिक पर्यावरण, जो स्वयं कोशिकाओं को नहलाते अंतराली द्रव (उसका तीन-चौथाई) और वाहिकाओं के भीतर के रक्त प्लाज़्मा (एक-चौथाई) में बँटा है। लसीका वह अंतराली द्रव है जिसे लसीका वाहिकाएँ इकट्ठा करके रक्त में लौटाती हैं। दोनों बाह्यकोशिकीय द्रवों का संघटन लगभग एक ही है — प्लाज़्मा अपने प्रोटीनों से भिन्न है, जो केशिका भित्ति पार नहीं करते — और दोनों अंतःकोशिकीय द्रव से तीखे रूप से भिन्न हैं।

70\, kg के मनुष्य के द्रव-कक्ष। जल का दो-तिहाई कोशिकाओं के भीतर है; बाह्यकोशिकीय तिहाई, जो अंतराली द्रव और प्लाज़्मा में बँटा है, आंतरिक पर्यावरण है। बाहर सोडियम का बोलबाला है और भीतर पोटैशियम का — यह अंतर बनाए रखने में हर कोशिका ऊर्जा ख़र्च करती है ()। — $70\,\mathrm{kg}$ के मनुष्य के द्रव-कक्ष। जल का दो-तिहाई कोशिकाओं के भीतर है; बाह्यकोशिकीय तिहाई, जो अंतराली द्रव और प्लाज़्मा में बँटा है, आंतरिक पर्यावरण है। बाहर सोडियम का बोलबाला है और भीतर पोटैशियम का — यह अंतर बनाए रखने में हर कोशिका ऊर्जा ख़र्च करती है (अध्याय 7)।

विधि 2.6 (तनूकरण से किसी कक्ष का मापन)

ऐसा सूचक चुनिए जो उसी कक्ष में फैले और कहीं नहीं: प्लाज़्मा के लिए प्लाज़्मा प्रोटीनों से बँधा कोई रंजक (इवांस नीला); बाह्यकोशिकीय द्रव के लिए इनुलिन, यानी वह शर्करा जो वाहिकाओं से बाहर तो जाती है पर कोशिकाओं में नहीं घुसती; और शरीर के कुल जल के लिए भारी जल।
ज्ञात मात्रा $m$ भीतर डालिए और मिश्रण होने की प्रतीक्षा कीजिए (प्लाज़्मा के लिए मिनट, कुल जल के लिए घंटे)।
प्लाज़्मा के किसी नमूने में सांद्रता $c$ मापिए, और प्रतीक्षा के दौरान हुई किसी भी हानि (मूत्र, उपापचय) के लिए संशोधन कीजिए।
आयतन $V = m/c$ है। अंतःकोशिकीय आयतन कुल जल में से बाह्यकोशिकीय घटाने पर मिलता है; अंतराली आयतन बाह्यकोशिकीय में से प्लाज़्मा घटाने पर। रक्त का आयतन प्लाज़्मा के आयतन को रक्त के प्लाज़्मा भिन्न ( $1 -$ रक्तकणिका-मात्रा) से भाग देने पर मिलता है।

उदाहरण 2.7 (एक प्लाज़्मा आयतन)

$70\,\mathrm{kg}$ के किसी पुरुष में डाला गया $50\,\mathrm{mg}$ इवांस नीला दस मिनट बाद $16.7\,\mathrm{mg}/\mathrm{L}$ की प्लाज़्मा सांद्रता देता है: $V = 50/16.7 = 3.0\,\mathrm{L}$ प्लाज़्मा। $45\,\%$ की रक्तकणिका-मात्रा के साथ रक्त का आयतन $3.0/0.55 = 5.5\,\mathrm{L}$ है — यानी शरीर के द्रव्यमान का $8\,\%$ , और यह अनुपात चूहे से व्हेल तक टिकता है।

2.4 विनिमय सतहें और परिसंचरण

प्रतिज्ञप्ति 2.8 (हर विनिमय सतह रक्त से युग्मित है)

कोई स्तनधारी बाहर से चार सतहों से विनिमय करता है, जिनमें से हर एक शरीर के भीतर मुड़ी है और हर एक सघन केशिका-जाल से पोषित: पोषक तत्वों और जल के लिए आँत की श्लेष्मा (मनुष्य में $30\,\mathrm{m}^{2}$ ), ऑक्सीजन और कार्बन डाइऑक्साइड के लिए फेफड़ों की कूपिका-सतह ( $100\,\mathrm{m}^{2}$ ), अपशिष्टों और आंतरिक पर्यावरण के नियमन के लिए गुर्दों की छानने वाली सतह (दस लाख कोशिकागुच्छ, जो दिन में $180\,\mathrm{L}$ प्लाज़्मा छानते हैं), और ऊष्मा तथा थोड़े जल के लिए त्वचा ( $2\,\mathrm{m}^{2}$ )। परिसंचरण इन्हें जोड़ता है: एक सतह से चला रक्त एक मिनट के भीतर अगली सतह पर पहुँच जाता है, ताकि जो आँत से भीतर आता है वह फेफड़े की ऑक्सीजन से ऑक्सीकृत हो और उसका अपशिष्ट गुर्दे से बाहर जाए।

किसी स्तनधारी का दोहरा परिसंचरण। दायाँ हृदय ऑक्सीजन-दरिद्र रक्त (नीला) फेफड़ों से भेजता है; बायाँ हृदय ऑक्सीजनित रक्त (लाल) अंगों से भेजता है, जो समांतर में सजे हैं, ताकि हर अंग को ताज़ा धमनी-रक्त मिले। आँत से आया रक्त हृदय लौटने से पहले यकृत से होकर जाता है।

विश्राम में 5\, L/ min के मानव हृदय-निर्गम का अंगों में बँटवारा। गुर्दे, जो शरीर के द्रव्यमान का 0.5\,\% हैं, रक्त का पाँचवाँ भाग लेते हैं — यह पूरे प्लाज़्मा को दिन में साठ बार छानने की क़ीमत है। व्यायाम के दौरान पेशियों का हिस्सा दस गुना बढ़ जाता है और आँत का घट जाता है। — विश्राम में $5\,\mathrm{L}/\mathrm{min}$ के मानव हृदय-निर्गम का अंगों में बँटवारा। गुर्दे, जो शरीर के द्रव्यमान का $0.5\,\%$ हैं, रक्त का पाँचवाँ भाग लेते हैं — यह पूरे प्लाज़्मा को दिन में साठ बार छानने की क़ीमत है। व्यायाम के दौरान पेशियों का हिस्सा दस गुना बढ़ जाता है और आँत का घट जाता है।

उदाहरण 2.9 (परिसंचरण-काल)

$5.5\,\mathrm{L}$ रक्त और $5\,\mathrm{L}/\mathrm{min}$ के हृदय-निर्गम के साथ रक्त की एक बूँद विश्राम में दोहरा परिपथ लगभग एक मिनट में पूरा करती है, और कड़े व्यायाम में उसका एक-चौथाई समय लेती है, जब निर्गम $20\,\mathrm{L}/\mathrm{min}$ तक पहुँच जाता है। हृदय-निर्गम $M^{3/4}$ की तरह बदलता है (प्रमेय 1.14): $2\,\mathrm{kg}$ के खरगोश का निर्गम $160\,\mathrm{mL}$ रक्त के लिए लगभग $0.35\,\mathrm{L}/\mathrm{min}$ है — यानी दो के गुणक के भीतर वही परिसंचरण-काल, और वह भी प्रति मिनट $200\,$ धड़कन की हृदय-दर पर।

2.5 अंतस्तापिता और ऊष्मीय संतुलन

प्रतिज्ञप्ति 2.10 (ऊष्मा-बजट)

स्थिर ताप पर कोई स्तनधारी इसे संतुष्ट करता है

M - W = R + C + K + E ,

जिसमें $M$ उपापचयी ऊष्मा-उत्पादन है, $W$ बाहर पर किया गया यांत्रिक कार्य, और दायाँ पक्ष विकिरण $R$ , हवा में संवहन $C$ , ज़मीन में चालन $K$ और वाष्पन $E$ (फेफड़ों से, तथा पसीने या हाँफने से) द्वारा होने वाली हानियाँ। पहली तीन हानियाँ $T_b - T_a$ के समानुपाती हैं और उन्हें रोमों की कुचालकता तथा त्वचा में रक्त-प्रवाह चलाते हैं; वाष्पन ही एकमात्र मार्ग है जो हवा के शरीर से गरम होने पर भी काम करता है। जब समीकरण संतुष्ट नहीं होता, तब शरीर का ताप उस दर से खिसकता है जो असंतुलन और शरीर की ऊष्माधारिता (लगभग $3.5\,\mathrm{kJ}\,\mathrm{kg}^{-1}\,\mathrm{K}^{-1}$ ) से तय होती है।

उपपत्ति. शरीर के लिए ऊर्जा-संरक्षण, उस अवधि में जिसमें उसका ताप नहीं बदलता: मुक्त हुई रासायनिक ऊर्जा ( $M$ ) या तो कार्य के रूप में जाती है या चार भौतिक मार्गों से ऊष्मा के रूप में। $R$ , $C$ , $K$ का ताप-अंतर के साथ समानुपाती होना न्यूटन का शीतलन नियम है (अध्याय 1); और $E$ का उस अंतर से स्वतंत्र होना इससे निकलता है कि वाष्पन को आर्द्रता की प्रवणता चलाती है, ताप की प्रवणता नहीं। ∎

किसी अंतस्तापी का ऊष्मा-बजट। उत्पादन को चारों हानियों तथा बाहरी कार्य के योग के बराबर होना चाहिए; जंतु संतुलन बनाए रखने के लिए उत्पादन (कँपकँपी, क्रिया), कुचालकता (रोम, मुद्रा, त्वचा का रक्त-प्रवाह) और वाष्पन को समायोजित करता है।

प्रतिज्ञप्ति 2.11 (तापनियमन के साधन)

ठंड के विरुद्ध स्तनधारी हानि घटाता है — रोम खड़े करके, त्वचा तथा सिरों की वाहिकाएँ सिकोड़कर, सिकुड़कर, झुंड में सटकर — और उत्पादन बढ़ाता है: कँपकँपी (पेशियों का लयबद्ध संकुचन) और, छोटे तथा नवजात स्तनधारियों में, भूरे वसा ऊतक में अकंपन ऊष्माजनन, जिसकी सूत्रकणिकाएँ वसा की ऊर्जा सीधे ऊष्मा के रूप में छोड़ती हैं। गरमी के विरुद्ध वह त्वचा की वाहिकाएँ फैलाता है (खरगोश के कान उसकी एक-तिहाई ऊष्मा बहा सकते हैं), और पसीने (घोड़ा, मनुष्य) या हाँफने (कुत्ता, खरगोश) से जल का वाष्पन करता है। यह सब हाइपोथैलेमस से संचालित होता है, जो नियत बिंदु रखता है और रक्त तथा त्वचा का ताप पढ़ता है।

साक्ष्य. किसी कुत्ते के हाइपोथैलेमस को रोपे गए प्रोब से गरम करने पर वह ठंडे कमरे में भी हाँफता है और अपनी त्वचा की वाहिकाएँ फैलाता है; प्रोब को ठंडा करने पर वह गरम कमरे में भी काँपता है। $5\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ पर रखे किसी मूषक की ऑक्सीजन-खपत एक घंटे के भीतर तिगुनी हो जाती है, जिसमें आधी वृद्धि कँपकँपी से आती है (पेशी की विद्युत क्रिया के रूप में अभिलिखित) और आधी भूरी वसा से, जिसका ताप तापयुग्म से मापने पर आसपास के ऊतकों से अधिक निकलता है। $30\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ पर किसी खरगोश के अवरक्त चित्र उसके कानों को लगभग शरीर के ताप पर दिखाते हैं, और $5\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ पर लगभग हवा के ताप पर। ∎

उदाहरण 2.12 (खरगोश के कान)

लगभग $50\,\mathrm{cm}^{2}$ के दो कान, पतले, लगभग नंगे और ख़ूब रक्त-पूरित: $20\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ की हवा में $30\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ पर उनकी वाहिकाएँ खुली हों और नंगी त्वचा का गुणांक $10\,\mathrm{W}\,\mathrm{m}^{-2}\,\mathrm{K}^{-1}$ हो, तो वे $10\times 0.01\times 10 = 1\,\mathrm{W}$ खोते हैं, जो विश्राम कर रहे खरगोश के उत्पादन का छठा भाग है। $5\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ पर वाहिकाएँ बंद हो जाती हैं, कान ठंडे होकर लगभग हवा के ताप पर आ जाते हैं, और उनसे होने वाली हानि $0.2\,\mathrm{W}$ से नीचे गिर जाती है।

टिप्पणी 2.13 (समन्वय)

ऊपर का हर समायोजन — किसी वाहिका का सँकरा होना, किसी पेशी का काँपना, किसी ग्रंथि का स्रावित करना — कोई तंत्रिका या हॉर्मोन ले जाता हुआ आदेश है। तंत्रिका तंत्र नियत तारों के सहारे मिलीसेकंडों में काम करता है; अंतःस्रावी तंत्र रक्त के माध्यम से मिनटों से घंटों में काम करता है और उस हर कोशिका तक पहुँचता है जो सही ग्राही धारण करती है। उनकी क्रियाविधियाँ वर्ष 2 के खंड का विषय हैं; यह वर्ष उन्हें दिया हुआ मानकर चलता है और यह पढ़ता है कि वे किसका समन्वय करती हैं।

2.6 अभ्यास

अभ्यास 2.1 ★

स्तनधारी की शरीर-योजना के वे लक्षण गिनाइए जो सभी कशेरुकियों में साझा हैं, और वे जो केवल स्तनधारियों के अपने हैं।

हल

हल — अभ्यास 2.1.

कशेरुकी: द्विपार्श्व सममिति, शीर्षीकरण, मेरुरज्जु को घेरता पृष्ठीय कशेरुक-अक्ष, आंतरांगों वाला अधर प्रगुहा, चार अंग। स्तनधारी: प्रगुहा को वक्ष और उदर में बाँटता मध्यपट, रोएँ, दूध, नियमित शरीर-ताप।

अभ्यास 2.2 ★

हर अंग तंत्र को कार्यों के तीन समूहों में से किसी एक में रखिए, और हर तंत्र का एक अंग बताइए।

हल

हल — अभ्यास 2.2.

पोषण: पाचन (आमाशय), श्वसन (फेफड़ा), परिसंचरण (हृदय), उत्सर्जन (वृक्क)। संबंध: तंत्रिका (मस्तिष्क), ज्ञानेंद्रियाँ (आँख), अंतःस्रावी (अवटु), कंकाल और पेशियाँ (ऊर्वस्थि, द्विशिर), त्वचा। जनन: जननांग (अंडाशय, वृषण), स्तन ग्रंथियाँ।

अभ्यास 2.3 ★

$60\,\mathrm{kg}$ की कोई स्त्री: उसके शरीर का कुल जल, उसके अंतःकोशिकीय और बाह्यकोशिकीय आयतन, उसका अंतराली आयतन और उसका प्लाज़्मा आयतन आँकिए।

हल

हल — अभ्यास 2.3.

जल $0.6\times 60 = 36\,\mathrm{L}$ ; अंतःकोशिकीय $24\,\mathrm{L}$ ; बाह्यकोशिकीय $12\,\mathrm{L}$ , जिसमें अंतराली $9\,\mathrm{L}$ और प्लाज़्मा $3\,\mathrm{L}$ ।

अभ्यास 2.4 ★

रक्त-प्रवाह वाले आलेख से बताइए कि हृदय-निर्गम का कितना भिन्न गुर्दों को जाता है, और रक्त का पूरा आयतन ( $5.5\,\mathrm{L}$ ) दिन में कितनी बार उनसे होकर पंप होता है।

हल

हल — अभ्यास 2.4.

$1.1/5 = 22\%$ । $1.1\,\mathrm{L}/\mathrm{min}$ यानी दिन में $1580\,\mathrm{L}$ , यानी रक्त-आयतन का 290 गुना।

अभ्यास 2.5 ★★

$70\,\mathrm{kg}$ के किसी पुरुष में $2.0\,\mathrm{g}$ इनुलिन डाला जाता है; मिश्रण हो जाने के बाद, और $0.3\,\mathrm{g}$ मूत्र में चले जाने के बाद, प्लाज़्मा सांद्रता $0.12\,\mathrm{g}/\mathrm{L}$ है। बाह्यकोशिकीय आयतन निकालिए, और कुल जल $42\,\mathrm{L}$ लेकर अंतःकोशिकीय आयतन भी।

हल

हल — अभ्यास 2.5.

बचा इनुलिन $1.7\,\mathrm{g}$ ; $V = 1.7/0.12 = 14\,\mathrm{L}$ बाह्यकोशिकीय; अंतःकोशिकीय $42 - 14 = 28\,\mathrm{L}$ ।

अभ्यास 2.6 ★★

समझाइए कि प्लाज़्मा और अंतराली द्रव का आयनिक संघटन एक ही क्यों है पर प्रोटीन की मात्रा में वे भिन्न क्यों हैं, और यदि प्लाज़्मा प्रोटीन खो जाएँ तो अंतराली आयतन का क्या होगा।

हल

हल — अभ्यास 2.6.

केशिका की दीवार जल और छोटे आयनों को स्वच्छंद जाने देती है, इसलिए वे साम्य में आ जाते हैं, पर प्रोटीन रोक लेती है। प्लाज़्मा के प्रोटीन जल को परासरण से वाहिकाओं में खींचते हैं; उनके बिना जल अंतराली अवकाश में रिस जाता, जो फूल जाता (शोफ़), और प्लाज़्मा का आयतन गिर जाता।

अभ्यास 2.7 ★★

दैहिक परिपथ के अंग शृंखला में क्यों नहीं, समांतर में क्यों रखे गए हैं? मस्तिष्क को पेशियों के नीचे-प्रवाह में रखने का क्या परिणाम होता?

हल

हल — अभ्यास 2.7.

समांतर में हर अंग को पूरी धमनीय ऑक्सीजन और पूरे दाब पर रक्त मिलता है, और उसका बहाव स्वतंत्र रूप से नियमित हो सकता है। श्रेणी में मस्तिष्क को वह रक्त मिलता जिसे पेशियाँ पहले ही खाली कर चुकी होतीं, नीचे दाब पर, और उसकी आपूर्ति ठीक व्यायाम के दौरान गिर जाती।

अभ्यास 2.8 ★★

$20\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ की हवा में विश्राम कर रहा कोई मनुष्य ( $M = 80\,\mathrm{W}$ , $W = 0$ ) फेफड़ों और त्वचा से वाष्पन द्वारा $20\,\mathrm{W}$ खोता है। यदि विकिरण, संवहन और चालन मिलकर $hS(T_b - T_a)$ हों, जिसमें $S = 1.8\,\mathrm{m}^{2}$ और $T_b$ (त्वचा) $= 33\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ , तो $h$ निकालिए। हवा के $33\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ पर पहुँच जाने पर त्वचा के ताप का क्या होता है?

हल

हल — अभ्यास 2.8.

$hS\Delta T = 80 - 20 = 60\,\mathrm{W}$ ; $h = 60/(1.8\times 13) = 2.6\,\mathrm{W}\,\mathrm{m}^{-2}\,\mathrm{K}^{-1}$ । $33\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ हवा पर अवाष्पनी हानि लुप्त हो जाती है; त्वचा को हवा से ऊपर गरम होना पड़ता है (वाहिकाओं का फैलाव उसे $36\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ की ओर चढ़ाता है) और बाकी पसीने को ढोना पड़ता है।

अभ्यास 2.9 ★★

व्यायाम कर रहा कोई मनुष्य $800\,\mathrm{W}$ बनाता है और $200\,\mathrm{W}$ बाहरी कार्य करता है। अवाष्पनी हानियाँ $150\,\mathrm{W}$ हैं। ताप स्थिर रखने के लिए प्रति घंटे कितना जल वाष्पित होना चाहिए (गुप्त ऊष्मा $2.4\,\mathrm{kJ}/\mathrm{g}$ )? यदि पसीना रुक जाए तो ताप कितनी तेज़ी से बढ़ेगा ( $70\,\mathrm{kg}$ , $3.5\,\mathrm{kJ}\,\mathrm{kg}^{-1}\,\mathrm{K}^{-1}$ )?

हल

हल — अभ्यास 2.9.

हटाने लायक ऊष्मा $800 - 200 - 150 = 450\,\mathrm{W}$ , यानी $1620\,\mathrm{kJ}/\mathrm{h}$ , यानी प्रति घंटा $675\,\mathrm{g}$ पसीना। बिना पसीने के, $450/(70\times 3500) = 1.8 \times 10^{-3}\,\mathrm{K}/\mathrm{s}$ , यानी लगभग $0.11\,\mathrm{K}/\mathrm{min}$ : आधे घंटे में $3\,\mathrm{K}$ ।

अभ्यास 2.10 ★★★

नवजात स्तनधारी और छोटी जातियाँ कँपकँपी के बजाय भूरी वसा पर निर्भर रहती हैं। सतह-आयतन अनुपात और हर क्रियाविधि की प्रकृति की सहायता से दो कारण सुझाइए।

हल

हल — अभ्यास 2.10.

छोटे शरीर प्रति ग्राम सबसे तेज़ ऊष्मा खोते हैं (बड़ा $S/V$ ) और उन्हें एक सतत, ऊँचा, भरोसेमंद उत्पादन चाहिए: भूरी वसा बिना किसी गति के रासायनिक ढंग से एक ठहरी दर पर ऊष्मा बनाती है, जबकि कँपकँपी के लिए विकसित पेशियाँ चाहिए (जो नवजातों में नहीं होतीं), वह गति तथा भोजन में बाधा डालती है, और रुक-रुककर होती है। भूरी वसा बड़ी वाहिकाओं के पास भी बैठती है और रक्त को सीधे गरम करती है।

अभ्यास 2.11 ★★★

किसी कुत्ते के हाइपोथैलेमस को प्रोब से गरम किया जाता है जबकि कुत्ता ठंडे कमरे में बैठा है। उसकी अनुक्रियाओं की, और एक घंटे बाद उसके अंतर्भाग के ताप की भविष्यवाणी कीजिए। फिर उस कुत्ते की अनुक्रियाओं की भविष्यवाणी कीजिए जिसका हाइपोथैलेमस नष्ट है और जिसे बारी-बारी से ठंडे और गरम कमरे में रखा जाता है।

हल

हल — अभ्यास 2.11.

गरम किया गया अधश्चेतक “बहुत गरम” पढ़ता है: ठंड के बावजूद कुत्ता हाँफता है और अपनी त्वचा की वाहिकाएँ फैलाता है, और उसका क्रोड-तापमान घंटे भर में एक-दो डिग्री गिर जाता है। बिना अधश्चेतक के कोई नियत-बिंदु नहीं रहता: कुत्ता न ठंड में काँपता है न गरमी में हाँफता है, और दोनों ही प्रसंगों में उसका तापमान कमरे के तापमान की ओर बहता है।

अभ्यास 2.12 ★★★

“आंतरिक पर्यावरण स्तनधारी का निजी समुद्र है।” इस बिंब पर एक अनुच्छेद में चर्चा कीजिए: बाह्यकोशिकीय द्रव क्या है, उसे अचर कौन रखता है, और कौन से अंग तंत्र उसके तट हैं।

हल

हल — अभ्यास 2.12.

बाह्यकोशिकीय तरल (अंतराली तरल और प्लाज़्मा), जिसका सोडियम-धनी संघटन, तापमान और आयतन लगभग अचर रहते हैं, हर कोशिका को वैसे ही नहलाता है जैसे समुद्री जल पहले जंतुओं को नहलाता था। उसकी अचरता ऋणात्मक-पुनर्भरण फंदों से बनी रहती है (आयतन तथा आयनों के लिए वृक्क, गैसों के लिए फेफड़ा, ग्लूकोज के लिए यकृत तथा अग्न्याशय, तापमान के लिए अधश्चेतक)। उसके “तट” विनिमय-पृष्ठ हैं — आँत, फेफड़ा, वृक्क, त्वचा — जहाँ वह बाहर से मिलता है, और परिसंचरण वह धारा है जो उसे हिलाती रहती है।

2.7 समस्या: खरगोश का एक दिन

समस्या 2.1

सप्ताहांत समस्या — जनवरी में दो किलोग्राम के एक खरगोश के चौबीस घंटे: उसकी ऊर्जा, उसका जल, उसका रक्त और उसकी ऊष्मा, और अंत में उसका दैनिक ऊर्जा-व्यय तथा जल-आवर्तन

किसी जंगली खरगोश का द्रव्यमान $2.0\,\mathrm{kg}$ है और शरीर का ताप $39\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ । उसकी आधारी उपापचय दर क्लाइबर के नियम का पालन करती है, $B = 3.4\,\mathrm{W}\,(M/1\,\mathrm{kg})^{3/4}$ । उसका दिन: $12\,\mathrm{h}$ अपने बिल में विश्राम, अपने तापउदासीन क्षेत्र के भीतर; $6\,\mathrm{h}$ चराई, अपनी आधारी दर के तीन गुने पर; और $6\,\mathrm{h}$ बाहर $5\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ पर विश्राम, जहाँ उसे अपनी आधारी दर का दुगुना बनाना पड़ता है। वह हरी घास खाता है जिसमें $25\,\%$ शुष्क पदार्थ है; शुष्क पदार्थ में $18\,\mathrm{kJ}/\mathrm{g}$ है, जिसका वह $65\,\%$ पचाता है।

भाग I — ऊर्जा।

खरगोश की आधारी उपापचय दर वाट में निकालिए।
तीनों अवधियों में से हर एक में ख़र्च हुई ऊर्जा किलोजूल में निकालिए।
दैनिक ऊर्जा-व्यय निकालिए और उसे $24\,\mathrm{h}$ की आधारी दर के गुणज के रूप में लिखिए।
एक ग्राम हरी घास की पाच्य ऊर्जा निकालिए।
प्रतिदिन खाई गई हरी घास का द्रव्यमान निकालिए, और उसमें निहित शुष्क पदार्थ का द्रव्यमान भी।
हरे भोजन के ग्रहण को शरीर-द्रव्यमान के भिन्न के रूप में लिखिए।
खपी हुई ऑक्सीजन के प्रति लीटर $20\,\mathrm{kJ}$ लेकर दैनिक ऑक्सीजन-खपत और उसकी माध्य दर मिलीलीटर प्रति मिनट में निकालिए।
$0.9$ के श्वसन गुणांक (प्रति लीटर $\mathrm{O_2}$ पर लीटर $\mathrm{CO_2}$ ) के साथ दैनिक कार्बन डाइऑक्साइड निर्गम लीटर में और ग्राम में निकालिए ( $22.4\,\mathrm{L}/\mathrm{mol}$ , $44\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ )।

भाग II — जल। पचे हुए शुष्क पदार्थ का ऑक्सीकरण प्रति ग्राम $0.6\,\mathrm{g}$ उपापचयी जल देता है। बिना पचा शुष्क पदार्थ मल के साथ जाता है, जो $40\,\%$ जल होता है। मूत्र प्रतिदिन $130\,\mathrm{mL}$ है। खरगोश दिन में $860\,\mathrm{L}$ हवा साँस लेता है; वह $10\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ की हवा भीतर लेता है जिसमें $5\,\mathrm{g}/\mathrm{m}^{3}$ जलवाष्प है, और $37\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ पर संतृप्त हवा बाहर छोड़ता है, $44\,\mathrm{g}/\mathrm{m}^{3}$ । त्वचा से वाष्पन दिन में $20\,\mathrm{g}$ है।

घास के साथ भीतर आया जल निकालिए।
बनी हुई उपापचयी जल की मात्रा निकालिए।
मल का द्रव्यमान और उसके साथ जाने वाला जल निकालिए।
साँस में खोया जल निकालिए।
जल का बहीखाता बनाइए: कुल आगम, कुल निर्गम, और उनका अंतर।
क्या खरगोश को पानी पीना पड़ेगा? उस अंतर का क्या होता है?
अगस्त में घास $50\,\%$ शुष्क पदार्थ होती है। उसी ऊर्जा-ग्रहण के लिए भोजन का जल फिर से निकालिए, और निष्कर्ष दीजिए।

भाग III — रक्त और कक्ष।

अध्याय के भिन्नों की सहायता से खरगोश के शरीर का कुल जल, बाह्यकोशिकीय आयतन और प्लाज़्मा आयतन निकालिए।
$1.5\,\mathrm{mg}$ इवांस नीला डाला जाता है; मिश्रण के बाद प्लाज़्मा सांद्रता $15\,\mathrm{mg}/\mathrm{L}$ है। प्लाज़्मा आयतन निकालिए और आकलन से तुलना कीजिए।
$40\,\%$ की रक्तकणिका-मात्रा के साथ रक्त का आयतन निकालिए।
हृदय-निर्गम $70\,\mathrm{kg}$ पर $5\,\mathrm{L}/\mathrm{min}$ के मानव मान से $M^{3/4}$ की तरह बदलता है। खरगोश का हृदय-निर्गम निकालिए और वह समय भी जो रक्त की एक बूँद को परिपथ पूरा करने में लगता है।
प्रति मिनट $200\,$ धड़कन की हृदय-दर के साथ आघात-आयतन निकालिए।

भाग IV — ऊष्मा। खरगोश की सतह $S = 0.1\,\mathrm{m}^{2}\,(M/1\,\mathrm{kg})^{2/3}$ है; उसके रोम $h = 2.5\,\mathrm{W}\,\mathrm{m}^{-2}\,\mathrm{K}^{-1}$ देते हैं; और हर कान लगभग नंगी त्वचा का $50\,\mathrm{cm}^{2}$ है जिसके लिए $h = 10\,\mathrm{W}\,\mathrm{m}^{-2}\,\mathrm{K}^{-1}$ है।

खरगोश की सतह निकालिए।
$5\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ पर रोमों से खोई ऊष्मा निकालिए और बाहर की अवधि के लिए मानी गई उत्पादन-दर से उसकी तुलना कीजिए।
दोनों कानों से होने वाली हानि निकालिए, पहले जब उनकी वाहिकाएँ खुली हों (त्वचा $39\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ पर) और फिर जब बंद हों (त्वचा $8\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ पर)। जनवरी में खरगोश क्या करता है?
अगस्त में, $30\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ पर, रोमों से और खुले कानों से होने वाली हानि निकालिए, और उनके योग की तुलना आधारी उत्पादन से कीजिए। खरगोश $39\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ पर कैसे बना रहता है?
परिणाम बताइए: खरगोश का दैनिक ऊर्जा-व्यय मेगाजूल में और उसकी आधारी दर के गुणज के रूप में, तथा उसका दैनिक जल-आवर्तन ग्राम में और अपने द्रव्यमान के भिन्न के रूप में।

हल

हल — समस्या 2.1.

1. $B = 3.4\times 2^{0.75} = 5.7\,\mathrm{W}$ । 2. बिल: $5.7\times 12\times 3600 = 246\,\mathrm{kJ}$ ; भोजन-खोज: $17.1\times 6\times 3600 = 369\,\mathrm{kJ}$ ; बाहर: $11.4\times 6\times 3600 = 246\,\mathrm{kJ}$ । 3. $861\,\mathrm{kJ}$ , यानी आधारी का $861/493 = 1.75$ गुना ( $24\,\mathrm{h}$ भर $B$ $= 493\,\mathrm{kJ}$ ). 4. $0.25\times 18\times 0.65 = 2.9\,\mathrm{kJ}/\mathrm{g}$ । 5. $861/2.9 = 295\,\mathrm{g}$ ताज़ी घास, यानी $74\,\mathrm{g}$ शुष्क पदार्थ। 6. उसके द्रव्यमान का $295/2000 = 15\%$ । 7. $861/20 = 43\,\mathrm{L}$ जितनी $\mathrm{O_2}$ ; $30\,\mathrm{mL}/\mathrm{min}$ । 8. $0.9\times 43 = 39\,\mathrm{L}$ जितनी $\mathrm{CO_2}$ , यानी $39/22.4\times 44 = 76\,\mathrm{g}$ । 9. $0.75\times 295 = 221\,\mathrm{g}$ । 10. पचा शुष्क पदार्थ $0.65\times 74 = 48\,\mathrm{g}$ ; जल $0.6\times 48 = 29\,\mathrm{g}$ । 11. बिना पचा $26\,\mathrm{g}$ ; मल $26/0.6 = 43\,\mathrm{g}$ , जो $17\,\mathrm{g}$ जल ढोता है। 12. $(44 - 5)\times 0.86 = 34\,\mathrm{g}$ । 13. भीतर: $221 + 29 = 250\,\mathrm{g}$ । बाहर: $17 + 130 + 34 + 20 = 201\,\mathrm{g}$ । अधिशेष $49\,\mathrm{g}$ । 14. नहीं: घास उससे अधिक देती है जितना वह खोता है; अधिशेष अतिरिक्त मूत्र के रूप में निकल जाता है (कुल मिलाकर लगभग $180\,\mathrm{mL}$ )। 15. वही शुष्क पदार्थ $74\,\mathrm{g}$ , पर $148\,\mathrm{g}$ घास में: भोजन में जल $74\,\mathrm{g}$ ; निवेश $103\,\mathrm{g}$ के सामने निर्गम $201\,\mathrm{g}$ : यानी दिन में $100\,\mathrm{g}$ की कमी, जो उसे पीनी पड़ेगी या अपने शरीर से खोनी पड़ेगी। 16. जल $0.6\times 2.0 = 1.2\,\mathrm{L}$ ; बाह्यकोशिकीय $0.4\,\mathrm{L}$ ; प्लाज़्मा $0.1\,\mathrm{L}$ । 17. $1.5/15 = 0.10\,\mathrm{L}$ : मेल खाता है। 18. $0.10/0.60 = 0.167\,\mathrm{L}$ , यानी शरीर-द्रव्यमान का $8\,\%$ । 19. $5\times(2/70)^{0.75} = 0.35\,\mathrm{L}/\mathrm{min}$ ; परिपथ-काल $0.167/0.35 = 0.48\,\mathrm{min}$ , यानी लगभग $29\,\mathrm{s}$ । 20. प्रति धड़कन $350/200 = 1.75\,\mathrm{mL}$ । 21. $0.1\times 2^{2/3} = 0.16\,\mathrm{m}^{2}$ । 22. $2.5\times 0.16\times 34 = 13.6\,\mathrm{W}$ , जबकि माना गया $2B = 11.4\,\mathrm{W}$ : खरगोश को कुछ अधिक बनाना पड़ेगा, या मुद्रा और आश्रय से हानि घटानी पड़ेगी। 23. खुले: $10\times 0.01\times 34 = 3.4\,\mathrm{W}$ , यानी रोएँ वाली हानि का फिर से एक-चौथाई; बंद: $10\times 0.01\times 3 = 0.3\,\mathrm{W}$ । वह उन्हें बंद कर लेता है। 24. रोएँ: $2.5\times 0.16\times 9 = 3.6\,\mathrm{W}$ ; खुले कान: $10\times 0.01\times 9 = 0.9\,\mathrm{W}$ ; कुल $4.5\,\mathrm{W}$ के सामने $5.7\,\mathrm{W}$ बनता है। बची $1.2\,\mathrm{W}$ वाष्पन से निकलनी चाहिए: खरगोश हाँफता है ( $1.2\,\mathrm{W}$ यानी प्रति घंटा $1.8\,\mathrm{g}$ जल), ठंडी ज़मीन पर पसरकर लेटता है और छाया में रहता है। 25. दैनिक ऊर्जा-व्यय $0.86\,\mathrm{MJ}$ , यानी अपनी आधारी दर का $1.75$ गुना; जल-आवर्तन $250\,\mathrm{g}$ , यानी अपने द्रव्यमान का $12.5\,\%$ ।

इस अध्याय में परिभाषित शब्द

शब्दावली के सभी 479 शब्द देखें