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Los protonefridios forman la orina por filtración, principalmente, a partir del líquido intersticial o del líquido de alguna cavidad corporal, como el pseudoceloma o el celoma. Es propio de animales en los que no hay una cavidad interna o, si la hay, el líquido que contiene no se encuentra a la suficiente presión como para permitir por sí misma que se produzca la orina primaria. Por esa razón, el gradiente de presión necesario para generar la orina se produce gracias a que en el extremo ciego de los túbulos se concentran células flamígeras dotadas de penachos de cilios que, al batir, impulsan el fluido que se encuentra en la luz del tubo dando así lugar a una presión hidrostática negativa. Es esa presión negativa la responsable de generar el gradiente necesario. Alternativamente, en vez de células flamígeras, puede haber solenocitos, que son células de tamaño grande con un único flagelo que cumple la misma función. El agua pasa de un lado del epitelio nefridial al otro a través de perforaciones en las células próximas al extremo ciego del túbulo, y junto con el agua también pasan sustancias de pequeño tamaño.
El conducto que sigue a la zona proximal puede modificar la composición y concentración de la orina mediante reabsorción de sales, agua u otras sustancias, o mediante la secreción de solutos que deban ser eliminados. El movimiento del líquido en el interior del tubo por efecto del movimiento ciliar o flagelar es el que finalmente impulsa a la orina hacia el exterior por el nefridioporo.
Los protonefridios son propios de platelmintos, nemertinos, rotíferos y de larvas de anélidos, moluscos, algunos peces y algunos anfibios. Muy probablemente surgieron en animales de agua dulce en los que cumplían la función de expulsar el agua sobrante que entraba en abundancia en los organismos a favor de gradiente osmótico y, más adelante, de forma secundaria, empezaron a desempeñar funciones de regulación osmótica e iónica más completas.
Metanefridios
Los metanefridios son sistemas excretores propios de animales en los que hay dos o más compartimentos líquidos internos (celoma o cavidad derivada y sistema circulatorio, como mínimo). Son túbulos que comienzan con una cápsula de filtración asociada al sistema circulatorio o con una estructura similar a un embudo ciliado, abierto por su parte ancha a la cavidad celómica. En el primer caso la filtración se produce, lógicamente, a nivel de la cápsula, y en el segundo en áreas en las que el sistema circulatorio y la cavidad celómica se hallan en contacto. El gradiente de presión hidrostática no se genera en este caso desde el interior del tubo, sino que tiene su origen en la cavidad corporal de la que procede el medio interno que atraviesa el filtro debido a que se halla a una presión suficientemente alta.
Como en los protonefridios, también aquí puede sufrir la orina modificaciones en su concentración y composición mediante los procesos ya citados de secreción activa o de reabsorción. El túbulo puede presentar diversas morfologías, con plegamientos y otras disposiciones como expansiones vesiculares, y que, finalmente, se abren al exterior.
Muchos invertebrados, como anélidos, artrópodos (no insectos) y moluscos cuentan con metanefridios.
En los vertebrados los túbulos renales (metanefridiales) se llaman nefronas, y son estructuras que sufren importantes variaciones a lo largo de su desarrollo. La primera estructura se denomina pronefros, y solo es funcional en larvas de peces y de anfibios, y en peces bruja y lampreas; o sea, en estadios ontogenéticos muy tempranos o en especies muy primitivas. En peces y anfibios adultos el pronefros degenera, excepto su componente tubular, que se convierte en el mesonefros, que es el riñón de peces y anfibios adultos. En amniotas el mesonefros es el riñón embrionario, y el metanefros, que procede del anterior y es bastante más complejo, es el riñón de los adultos.
Los metanefridios han evolucionado en más de una ocasión de manera independiente. Han aparecido en moluscos adultos, anélidos, algunos artrópodos, como los crustáceos, y en vertebrados. En algunas ocasiones un único túbulo forma el órgano renal, como en la denominada glándula antenal de crustáceos. Y en otros grupos, como en vertebrados, numerosos metanefridios se ensamblan en tejido conjuntivo para formar un órgano mayor, al que llamamos riñón