Александр Михайлович Уголев

ЕСТЕСТВЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ БИОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ

ПРЕДИСЛОВИЕ

Книга посвящена концепции естественных технологий живых систем на различных уровнях организации последних и изложению доказательств, позволяющих преодолеть противопоставление естествознания и технологии. Эти доказательства появились в результате бурного развития естественных наук и успехов эволюционной теории, а также благодаря грандиозному прогрессу не только практики, но и теории производственных технологий. Концепция естественных технологий обосновывается на примере наиболее важных процессов в живых системах, их эволюции и происхождения. Охарактеризованы также некоторые закономерности, которые могут быть интерпретированы как общие для естественных технологий живой природы и производственных технологий. Показано, что такие подходы плодотворны для понимания биологии в целом, процессов, протекающих в живых системах различной сложности, взаимодействий естественных и производственных технологий, в частности в медицине, экологии, питании и т.д. В свете этого общее представление о технологии превращается в науку о принципах, структуре и динамике организованных процессов. Рассмотрение живых систем на организменном, органном, клеточном и субклеточном уровнях как некоторых технологий, биосферы как технологического процесса в планетарном масштабе, эволюции как развития технологии жизни и т.д. подвергнуто теоретической и документальной проверке.

В монографии «Эволюция пищеварения и принципы эволюции функций: Элементы современного функционализма» (1985) приведены многочисленные доказательства и обширная литература, позволившие обосновать вывод, что жизнь — это совокупность естественных технологий. Настоящая книга освещает основные идеи, развитые в предыдущей, и более доступна широкому кругу читателей. Она написана в формирующемся жанре общенаучной литературы, который, как мне кажется, в будущем будет играть важную роль в прогрессе науки, особенно в прогрессе синтетических направлений. Подобный жанр, по-видимому, характеризуется: 1) уменьшением терминологических барьеров; 2) увеличением межнаучных связей и роли общих научных проблем; 3) отсутствием значительного числа узкоспециальных протоколов; 4) изложением доказательств в форме, приемлемой для всех наук.

Так как доказательность является необходимым атрибутом любой науки, то по монографии «Эволюция пищеварения и принципы эволюции функций: Элементы современного функционализма» можно проверить, уточнить и детализировать те или иные положения, развитые в данной книге.

В заключение следует отметить, что наиболее полно литература представлена в монографии, опубликованной в 1985 г. В данной книге приведены основные сведения и некоторые новые библиографические источники. Что касается рисунков и таблиц, то они также взяты преимущественно из первой монографии, в которой даны ссылки на их авторов.

Трудно переоценить ту роль, которую сыграли в формировании научных взглядов, в научной работе и в подготовке этой книги мои учителя, сотоварищи и ученики. Всем им моя глубочайшая благодарность.

Глава 1. ЕСТЕСТВЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ — ТЕХНОЛОГИИ ЖИВЫХ СИСТЕМ

Общие и эволюционные аспекты физиологии в этой книге будут рассмотрены как своеобразные естественные технологии живых систем. Эта точка зрения многим покажется странной, так как технология — одна из прикладных, утилитарных и искусственных наук, а физиология — одна из древнейших естественных наук, касающихся глубочайших тайн жизни. Для того чтобы понять, как могли сформироваться такие непривычные представления, как представления о естественных технологиях, следует кратко напомнить некоторые этапы развития науки о жизни.

1.1. История физиологии, ее место среди других наук

Еще Томмазо Кампанелла в книге «Город солнца» полагал, что совершенное правление требует участия ученых, в том числе физиологов. Недавно физиология была едва ли не самой престижной естественной наукой. Вот как писал об этом на исходе XIX в. Макс Ферворн: «Седая греческая древность соединяла со словом "фюзис" понятие о всей живой природе, и это значение в самой чистой своей форме находит выражение еще в песнях Гомера. Но с тех пор понятие, связанное с этим словом, подверглось разнообразным переменам. Уже весьма рано первоначальное значение было сделано более общим, и уже во время расцвета греческого образования ионические философы, древнейшие естествоиспытатели Греции, назывались "физиологи", причем понятие "фюзис" было перенесено на всю природу. Позднее, с отделением физики в качестве особой науки в нынешнем смысле этого слова, понятие было снова сужено, но в другом смысле, так как оно было ограничено специально безжизненной природой, и таким образом в настоящее время оно имеет значение как раз противоположное первоначальному.

Если понимать слово "фюзис" в его собственном, первоначальном значении, то слово "физиология" вполне верно выражает сущность той науки, которую оно обозначает, и нет необходимости заменять его более новым словом — "биология", которое в том смысле, в каком оно теперь употребляется, соединено обыкновенно с более специальным представлением.

Таким образом, физиология есть учение о явлениях живой природы и ее задачею является исследование жизни» (с. 4—5).

Сегодня физиология представляет собой одну из многих биологических наук. Врачи и специалисты, занимающиеся различными областями прикладной биологии, предпочитают опираться на биоматематику, биофизику, молекулярную биологию и другие новые науки. Тем не менее они вынуждены постоянно обращаться и к важнейшим аспектам физиологии, которые звучат как физиологическое значение, физиологическая роль и физиологический смысл изучаемых явлений и свойств.

Во второй половине XIX в. И. М. Сеченов писал, что физиолог — это физико-химик живого организма. В настоящее время этот тезис, вряд ли можно использовать корректно, так как физика и химия живого организма стали предметом биофизики, биохимии, биоорганической химии, бионеорганической химии, молекулярной биологии и многих других наук. Если к ним прибавить цитологию, биоэнергетику, мембранологию и целый комплекс так называемых органных и системных наук (кардиологию, пульмонологию, нефрологию, гастроэнтерологию и др.), то становится ясно, что физиология не может быть охарактеризована фундаментальными признаками и критериями конца XIX—начала XX в., отличающими великую самостоятельную науку. Сейчас физиология занимает весьма неопределенное и меняющееся положение между биофизикой, биохимией и другими молодыми науками. Однако биология, образно выражаясь, живет в многомерном пространстве, в котором физиологические подходы при обсуждении многих проблем, связанных с познанием жизни и ее проявлений, по-прежнему незаменимы.

1.2. О технологических подходах в современной физиологии

В 1967 г., анализируя особенности физиологических подходов к исследованиям закономерностей живых систем по сравнению, в частности, с биохимическими, биофизическими и другими специальными подходами, я пришел к заключению, что физиология занимается структурой биологических процессов независимо от природы их носителя — физического, химического или механического. Другими словами, предметом физиологии являются процессы жизни во всех их проявлениях. В этом смысле предмет и цель этой науки не совпадают с таковыми других биологических наук. Такие представления изложены мною в книге «Мембранное пищеварение. Полисубстратные процессы, организация и регуляция» (1972): «Одним из парадоксальных результатов бурного прогресса науки явилось разделение целостных физиологических процессов между разными науками — классическими и вновь возникающими. В результате такого разделения мы узнали многие фундаментальные закономерности протекания таких процессов, как пищеварение, кровообращение, дыхание, но в значительной степени потеряли возможность охарактеризовать процесс как систему хорошо скоординированных друг с другом последовательных и параллельных операций, отличающихся высокой степенью совершенства... С точки зрения технологической необходимо описать процесс, охарактеризовать отдельные его операции, оценить значение различных устройств, систем и блоков в осуществлении каждой из операций и процесса в целом... Я убедился, что технологический подход очень труден, так как он требует использования языка и метода различных наук... Однако не всегда трудный путь является неправильным. Кроме того, со временем он может стать легче и совершеннее...» (с. 302—303).

Существуют, однако, чисто научные причины, по которым технологический подход был чужд стилю и духу естественных наук. Это вызвано тем, что технология обычно занята созданием процессов ради получения искусственных продуктов, тогда как естественные процессы являются следствием эволюции и реализуют выработку натуральных продуктов. Кроме того, технологический процесс целенаправлен, т.е. телеологичен, в то время как телеология не свойственна естественным наукам. Более того, естественные науки начинаются там, где кончается телеология. Однако человек — это творение природы; плоды его разума, которые часто кажутся фантастичными и искусственными, в действительности представляют собой один из вариантов того, что существует в природе. Технологии относятся именно к этому ряду феноменов.

Что касается целенаправленности производственных технологий и запретности телеологических проблем для естественных наук, то произвольные запреты, даже общепринятые, рано или поздно отвергаются. О телеологии живого можно говорить лишь применительно к системам с линейной детерминацией, где причина и следствие четко дифференцированы. Между тем процессы жизни цикличны. Их телеологичность не столь очевидна, ибо любой конечный эффект — не только цель, но и многократно повторенная причина. Таким образом, проблема телеологии в отношении динамической биологии с ее циклами не всегда уместна. Еще более важно формирование в ходе эволюции целесообразности функций и структур.

Широко распространено мнение, что естествознание занималось и занимается познанием природы и ее законов, а технология — использованием этих законов для практических целей. Такое разделение сфер влияния, например между химией и химической технологией, недавно обсуждалось в капитальных сводках акад. Н. М. Жаворонкова, акад. Б. М. Кедрова, П. Г. Кузнецова и др. Для технологии конечной и высшей целью является полезность процесса, т.е. телеологичность, которая на протяжении последних столетий разделяла истинное естествознание и сходные с ним области знаний. Однако развитие производственных технологий и естествознания, в наше время объединенное современной научно-технической революцией, привело к еще одному поразительному результату — возможности объединения технологических и естественно-научных подходов на основе естественных технологий. Причин такой интеграции несколько.

1. В течение XX в. физиология — наука о функциях и процессах в живых системах — постепенно трансформировалась из физико-химии живого организма в технологию биосистем.

2. Технология производственных процессов изменилась; сформировались новые общие науки, рассматривающие живые и искусственные системы, в связи с чем появилась возможность для выявления некоторых общих закономерностей.

3. Благодаря развитию эволюционной теории и пониманию функций живых систем критерий полезности утратил характер ненаучности и изменил даже терминологическую окраску.

4. Уровень активности человека достиг таких пределов, когда искусственные и естественные системы оказались тесно взаимодействующими. Возможность описания тех и других на общем языке технологий (индустриальных и естественных) позволяет лучше понять и полезные, и трагические последствия такого взаимодействия и, быть может, лучше управлять ими.

Если принять, что среди наук о жизни физиология занимает такое же положение, какое среди технических наук занимает технология, то такое сравнение может показаться не вполне правомерным, ибо технология является такой же утилитарной наукой, как физиология — естественной. Но прогресс знаний и их распространение из одной сферы в другую, казалось бы далекую, открывают новые возможности. Примером этому служит развитие бионики и кибернетики, которые, по выражению Л. Жерардена, стали всеобщими науками, хотя первая родилась из анализа биологических систем, а вторая — из рассмотрения технических систем. Он писал: «В этой области, где естественные науки сходятся с инженерно-техническими науками, бионика не единственная наука — перекресток. Еще раньше появилась кибернетика... Происхождение кибернетики известно так же точно, как и происхождение бионики. В 1949 г. появилась книга, которая называлась "Кибернетика, или управление и связь в животном и в машине"... Заслуга профессора Винера в том, что он уловил все неисчерпаемые возможности применения подобной аналогии, которая стала основой кибернетики. От формальной аналогии он пришел к уподоблению свойств: изучение функций машин объясняет функции живых существ. Таким образом, кибернетика и бионика предстают перед нами как две сто

(отсутствуют страницы 10 и 11)

эпизодическими и случайными? Это объясняется, по-видимому, тем, что процесс формирования естественных технологий начался миллиарды лет назад и продолжается до настоящего времени, в то время как век производственных технологий едва наступил. Поэтому многие аналогии между естественными и производственными технологиями были невозможны еще несколько десятилетий назад. Лишь отдельные аналогии становятся понятны сегодня, в то время как многое еще предстоит понять в будущем.

В полной мере значение естественных технологий будет оценено впоследствии благодаря созданию принципиально новых технологических процессов в промышленности. Мы имеем в виду сходство многих принципов функционирования живых систем и гибких автоматических линий с участием роботов и стандартных устройств для реализации многих типов технологических процессов. Именно на основе мультипотентных функциональных блоков (см. гл. 7 и 8) с несколькими вариантами программ управления строятся различные, подчас противоположные но своему физиологическому значению, естественные технологии, такие, как всасывание и экскреция, секреция и внутриклеточная рецепция и т.д.

1.3. Сопоставление естественных и производственных технологий

Сопоставление определений производственных технологий и естественных процессов позволяет заключить, что лишь первые имеют отношение к проблемам, рассматриваемым технологией. Действительно, в 1901 г. в статье «Технология», опубликованной в энциклопедическом словаре, Д. И. Менделеев характеризует технологию как науку о способах изготовления из природного сырья искусственных предметов, т.е. предметов, не существующих в природе. Д. И. Менделеев писал: «...возникновение Т. (технологии.—А.У.) или учения о выгодных (т.е. поглощающих наименее труда людского и энергии природы) приемах переработки природных продуктов в продукты потребные (необходимые или полезные или удобные) для применения в жизни людей. Хотя Т. по своему предмету глубоко отличается от социально-экономических учений, но в ней с ними много прямых и косвенных связей, так как экономия (сбережение) труда и материала (сырья), а чрез них времени и сил составляет первую задачу всякого производства и существо учения о фабрично-заводских производствах совершенно теряет почву, если утрачивается из виду выгодность (экономичность) производства. Дело, например, химии изучать получение железа из его руд или из иных веществ природы, где оно содержится, а дело Т. изучить выгоднейшие для того способы, выбрать из возможностей наиболее применимую по выгодности — к данным условиям времени и места, чтобы придать продукту наибольшую дешевизну при желаемых свойствах и формах. Такая задача Т. показывает, что в ней нет тех высших и абсолютных требований, какими отличаются абстрактные науки, касающиеся видимой или внутренней природы, что она содержит в себе приложение к жизни других более отвлеченных знаний и что ее содержание должно изменяться по обстоятельствам и условиям места и времени. Но эти, так сказать, отрицательные стороны Т. искупаются, во-первых, тем прямым и жизненным значением, какое имеют уже в наше время фабрики и заводы, и какое в будущем долженствует все более и более усиливаться, а, во-вторых, тем, что учение о способах, применяемых заводами и фабриками, освещает научными началами то, что вырабатывается практикою и чрез это не только усовершенствуется производство, но и расширяется область научного понимания вещей и явлений. В этом последнем отношении достаточно указать хотя бы на одно брожение, так как оно с незапамятных времен применяется при обработке сахаристых веществ и дало начало тому общему учению о микроорганизмах, которое составляет одну из блестящих и плодотворнейших частей современного естествознания, показывая вновь тесноту связи между абстрактною и прикладною частями знаний. И хотя многие приемы, применяемые на заводах и фабриках, ведут свое начало от опытом оправданных начал естествознания, тем не менее в практическом сочетании частности должны ждать своих обобщений, с которыми в будущем может выступить Т. как самостоятельная, прикладная наука. Но до сих пор Т. имеет предметом главным образом описание применяемых при отдельных производствах способов, орудий и сырья и изложение исследований, произведенных в отношении как к веществам, так и к процессам, применяемым на заводах и фабриках. При этом не должно забывать, что Т. принадлежит к числу наук очень молодых, возникших всего лишь в XIX столетии» (с. 132).

Из этого описания очевидны существенные различия процессов, используемых в разных производственных технологиях, и процессов, наблюдаемых в живых системах. Однако по мере того как происходило совершенствование производственных технологий, сходство между эффективностью и управлением процессами на производстве и процессами, наблюдаемыми в живой природе, достигало подчас поражающих воображение масштабов. Так, работа тех и других систем контролируется обратными связями, обеспечивающими поддержание определенных скоростей процесса. Контролируется также ряд параметров среды, где протекают промышленные процессы, и жизнедеятельность рассматриваемой группы клеток, обозначаемая как гомеостаз. При этом механизмы контроля и процессы поддержания постоянства среды реализуются на основе общих принципов. Можно полагать, что дальнейшее совершенствование производственных технологий приведет к тому, что сходство между естественными и производственными технологиями станет еще больше.

Взаимоотношения между естественными науками и технологией в традиционном понимании последней удобно проанализировать на примере химии и химической технологии. Такой анализ может быть основан на фундаментальных обзорах, появившихся в 80-х гг. и принадлежащих авторитетным специалистам в области химии и химической технологии (акад. Н. Н. Семенов, акад. Н. М. Жаворонков), а также в области истории науки и техники (акад. Б. М. Кедров, В. И. Кузнецов и З. А. Зайцева). Они обращают внимание на неосновательность распространенного до недавнего времени представления, что между химией и химической технологией существуют лишь различия. Действительно, сейчас уже нельзя считать, что лишь химия как теоретическая наука исследует закономерности химических взаимодействий и создает методы получения новых соединений, тогда как химическая технология в качестве прикладной науки занимается их промышленным оформлением. Так, акад. Н. М. Жаворонков писал, что как химики, так и технологи исследуют новое и создают новое. Вместе с тем он отмечал, что химия познает главным образом новое, тогда как химическая технология создает новое.

Таким образом, объекты изучения химии и химической технологии различны и эти различия сохранятся в будущем. Различия, подчеркнутые рядом крупнейших химиков современности, подробно анализируются в капитальной монографии В. И. Кузнецова и

З. А. Зайцевой (1984). Авторы пишут: «Переход химической технологии с эмпирического уровня на принципиально новый уровень развития характеризуется появлением фундаментальных исследований и теорий высокой степени общности.

Но это, однако, не означает того, что химическая технология даже в тенденции может оказаться тем интегратором, который включает в себя все химические знания. Нет нужды доказывать, что собственно химические знания, хотя их развитие и стимулируется в основном требованиями производства, будут всегда богаче и фундаментальнее знаний, присущих химической технологии, ибо объектом химии является все неисчерпаемое богатство химизма природы, тогда как объект химической технологии представляет собой только искусственно создаваемые человеком материальные устройства, или, как говорят, вторую природу» (с. 256).

В этом описании особенно четко выявляются различия между традиционными взглядами и взглядами, развиваемыми в общей концепции естественных технологий. Понятно, что в рамках представлений о естественных технологиях меняется и понимание технологий. Действительно, технология — это в наиболее общем виде совокупность знаний об организованных процессах. Последние могут быть как естественными, так и искусственными. Ряд закономерностей тех и других, как будет показано ниже, во многом сходны. Вероятно, по мере углубления наших знаний о законах естественных технологий это сходство будет возрастать.

Интересно сопоставить поиски общности естественных и технологических наук на основе процессологических подходов со стремлением ряда крупных ученых рассматривать процесс как главный объект исследований в других областях и с другими целями. Так, акад. Н. Н. Семенов пришел к заключению, что современная химия из науки о составе и химической структуре вещества все больше и больше становится наукой о химических процессах и это открывает перед ней новые горизонты в области теории и в сфере производства.

Долгое время мне казалось, что не стоит науку о сложноорганизованных процессах связывать с получившим слишком утилитарное истолкование термином «технология». Представлялось, что более адекватными могут быть термины «процессология» или «эргология». Однако постепенно информация о фундаментальной общности законов построения организованных процессов в искусственных и естественных системах заставила думать, что термин «технология» не только приемлем, но плодотворен.

Технологические подходы к изучению жизни связаны с влиянием технологий на естественные науки. Однако формирование естественных технологий в свою очередь не может не влиять на развитие производственных по крайней мере по двум причинам: 1) производственные технологии становятся частью более широкого комплекса, включающего как искусственные, так и естественные технологии и, следовательно, должны быть частью синтехнологий, т.е. синтетических технологий, сочетающих производственные и естественные технологии; 2) многие закономерности естественных технологий уже сейчас используются в производственных технологиях, и этот процесс будет усиливаться по мере нашего более глубокого понимания естественных технологий.

Итак, процессы в живых системах могут быть охарактеризованы как естественные технологии, т.е. как некоторая система операций, обеспечивающих определенный эффект. Выполнение операций в большинстве случаев реализуется на основе генетически заданного алгоритма, находящегося под контролем локальной управляющей системы или системы более высокого ранга, обеспеченной определенным источником энергии и характеризуемой дополнительными побочными эффектами.

1.4. Физиологическая эволюция

В нашей стране Л.А. Орбели были сделаны попытки, развитые А.Г. Гинецинским, Е.М. Крепсом и другими учеными, на основе частных концепций эволюции функций (например, таких, как кровообращение, дыхание, пищеварение, выделение и др.) сформулировать общие закономерности, свойственные всем системам. Однако можно допустить, что возможен еще один путь, при котором предметом изучения становится физиологическая эволюция. На первый взгляд такое понятие кажется излишним. Тем не менее предшествующий опыт демонстрирует, что понятие физиологической эволюции или представления о биохимической эволюции плодотворны, так как позволяют указать на круг исследуемых закономерностей. Важно, что физиологическая эволюция включает в себя не только эволюцию функций, но и эволюцию тех механизмов, которые такие функции осуществляют. Физиологическая эволюция включает в себя также ряд закономерностей, относящихся исходно к сфере других наук — биохимии, математики, биофизики и т.д. в той мере, в какой они необходимы для описания физиологии. Именно в рамках физиологической эволюции могут быть доказаны или опровергнуты «функциональные» гипотезы, первоначально лишенные филогенетических корней. Следовательно, для эволюционной физиологии и физиологической эволюции необходимо технологическое направление, которое в свою очередь нуждается в них. Если учесть исключительную важность эволюционной физиологии и физиологической эволюции, то тем более удивительным кажется то малозаметное положение, которое они занимают в общебиологических концепциях живого.

Следует отметить, что при характеристике эволюции отдельных функций чрезвычайно важно то содержание, которое вкладывается исследователем в понимание функций. Последние становятся предметом изучения и рассматриваются как объект эволюционных перестроек. Именно на подходах к основным теоретическим обоснованиям возникает потребность в надежных представлениях, которых особенно не хватает. Технологические подходы к физиологии, где функции понимаются как некоторые процессы, состоящие из определенных операций и контролируемого алгоритма их выполнения, дают возможность внести наряду с уже известными некоторые новые и вместе с тем четкие элементы анализа. Анализируются определенные технологии и их эволюционные преобразования, операции и их составляющие, роль и характер операций, изменение этой роли в ходе эволюции, а не только изменения структур, реализующих каждую из операций. В связи с тем, что физиология рассматривается здесь как технологическая наука, физиологическая эволюция может быть охарактеризована как эволюция технологий. При этом рассматриваются как эволюция процессов, так и эволюция устройств, с помощью которых эти процессы реализуются.

Таким образом, физиология включает в себя изучение эволюции процессов, эволюции отдельных операций, эволюции устройств, выполняющих эти операции. Операции и устройства могут относиться как к процессам эффекторным, т.е. связанным с реализацией действия, так и к различным этапам управления. Развитие и понимание законов физиологической эволюции — проблема, ждущая своего решения.

1.5. Экзотрофия как модель для анализа естественных технологий

В биологии решение даже наиболее важных и общих проблем часто зависит от счастливого выбора подходящих экспериментальных моделей, т.е. объектов исследования. Примерами могут служить гигантский аксон кальмара при изучении свойств нервных проводников, слюнная железа при изучении условных рефлексов, дрозофила при формировании генетики, кишечная палочка при решении многих вопросов молекулярной биологии и т.д.

Для анализа технологических аспектов физиологии модельная система также должна обладать определенным сочетанием важных свойств. Алиментарная система является именно такой системой, а процессы, осуществляемые ею, удобны для того, чтобы совершить первые шаги на пути к созданию технологической физиологии и технологической концепции эволюции. Рассмотрим эту аргументацию более подробно.

1. Функция, или система, избираемая в качестве модели, должна обладать большим филогенетическим возрастом, так как суждения о природе и в особенности об эволюции процесса должны иметь возможно более общий характер. Ясно, что функция дыхания не подходит, так как она достаточно молода и ее формирование связано с образованием кислородсодержащей атмосферы, являющейся продуктом жизнедеятельности фотосинтезирующих аутотрофов. Другие функции, например кровообращение, еще более молоды. Напротив, экзотрофия, т.е. усвоение пищевых веществ, поступающих из внешней среды, — это такой же древний процесс, как и сама жизнь.

2. Функция, служащая моделью, должна быть достаточно общей, т.е. присущей всем живым системам. С этой точки зрения экзотрофия также служит подходящим объектом, так как она характерна для всех бионтов.

3. Модельная функция должна наблюдаться на всех уровнях организации живых систем. В этом смысле процессы трофики особенно привлекательны. На всех уровнях организации — от клеточного до планетарного — они относятся к проблемам первостепенной важности и подчиняются общим законам, которые рассматриваются в быстро развивающейся науке трофологии, основные положения которой сформулированы мною в 1980 г. (см. гл. 3).

4. Система, используемая как модель, должна обладать ярко выраженными характеристиками. Процессы, протекающие в алиментарной системе, т.е. пищеварение и всасывание, имеют выраженную технологичность и сходство с производственными технологиями, что послужило причиной сопоставления пищеварения с работой химического завода.

5. Модель должна отражать некоторый круг явлений. Поскольку нас интересует применимость технологических подходов к различным высокоспециализированным функциям, возникает вопрос: подходит ли для этой цели пищеварительная система? Весь предшествующий опыт физиологии свидетельствует, что пищеварительная система как модель чрезвычайно удобна. Именно ее изучение стимулировало развитие общих концепций в области физиологии К. Людвигом и Р.-П.-Г. Гейденгайном в Германии и К. Бернаром во Франции, которые оказали решающее влияние на физиологию и экспериментальную биологию XIX в. Работы в области пищеварения явились источником формирования идей И. П. Павлова относительно высшей нервной деятельности и У. Кеннона относительно физиологии эмоций. Работы в области физиологии пищеварительной системы сыграли большую роль в формировании многих важных представлений, касающихся активного транспорта и других вопросов мембранологии, в представлениях о системных эффектах желудочно-кишечных гормонов и т.д. Наконец, автор должен иметь в какой-то области свой собственный опыт. Этот опыт относится к пищеварительной системе и связан с работой по разным проблемам пищеварения.

***

Итак, на примере систем, обеспечивающих ассимиляцию пищевых веществ, постараемся проанализировать возможности и границы технологических подходов для понимания процессов жизнедеятельности и путей эволюции живых систем.

Процессы ассимиляции пищи сопоставлялись с технологическими процессами не только в античном естествознании, но и в развитом естествознании конца XIX в. И.П. Павловым.

В следующих главах будут рассмотрены некоторые наиболее характерные стороны ассимиляции пищевых веществ пищеварительной системой высших организмов и человека. Перед нами пройдет поражающая своей логичностью и эффективностью программа операций, в результате которых из пищевого продукта извлекаются всевозможные компоненты, необходимые организму-ассимилятору. Бесчисленные и лишь отчасти успешные попытки искусственно воспроизвести естественную технологию этого процесса позволяют оценить достижения и масштабы эволюции.

Вслед за этим в сжатой форме будет нарисована далеко не завершенная картина пищеварительного процесса, будут охарактеризованы некоторые отдельные операции, их взаимодействие и ряд общих принципов построения ассимиляторных процессов у организмов различных типов па разных уровнях организации (клетка, орган, организм, экосистема, биосфера).

Глава 2. ЭКЗОТРОФИЯ. МЕХАНИЗМЫ ПИЩЕВАРЕНИЯ

Метаболический цикл начинается с поступления веществ, необходимых для выполнения живыми системами их основных функций. Все живые организмы нуждаются в пище, т.е. источниках энергии, строительных и пластических материалах, солях и других элементах, обеспечивающих состав внутренней среды.

Принципиальной особенностью представителей царств животных и грибов, а также большинства простейших является обязательное использование органических молекул, синтезируемых другими организмами. Добывание, поглощение и усвоение пищи как растительного, так и животного происхождения характеризуется как питание. Как правило, биологический материал не может быть усвоен без’ предварительной деградации полимерных молекул до сравнительно простых элементов, лишенных видовой специфичности и способных проникать во внутреннюю среду организма или клетки. Деградация сложных пищевых структур в алиментарной системе, происходящая под влиянием гидролитических ферментов с образованием преимущественно мономеров, обозначается как пищеварение.

За пищеварением следуют процессы, реализующие перенос веществ во внутренние среды организма или клетки, объединяемые под названием «всасывание». Весь комплекс ассимиляции пищевых веществ из окружающей среды может быть объединен термином «экзотрофия».

2.1. Деятельность пищеварительного аппарата

Процессы экзотрофии у большинства животных и человека реализуются пищеварительной системой. На протяжении XIX в. было дано множество технологических описаний этой системы. Одно из самых ярких в 1897 г. сделал И.П. Павлов, который писал: «В своей основной задаче в организме пищеварительный канал есть, очевидно, химический завод, подвергающий входящий в него сырой материал — пищу — обработке, главным образом химической, чтобы сделать его способным войти в сока организма и там послужить материалом для жизненного цикла. Этот завод состоит из ряда отделений, в которых пища, смотря по ее свойствам, более или менее сортируется и или задерживается на время, или сейчас же переводится в следующее отделение. В завод, в его различные отделения, подвозятся специальные реактивы, доставляемые или из ближайших мелких фабрик, устроенных в самих стенках завода, так сказать, на кустарный лад, или из более отдаленных обособленных органов, больших химических фабрик, которые сообщаются с заводом трубами, реактиво-проводами. Это так называемые железы с их протоками. Каждая фабрика доставляет специальную жидкость, специальный реактив, с определенными химическими свойствами, вследствие чего он действует изменяющим образом только на известные составные части пищи, представляющей обыкновенно сложную смесь веществ» (с. 20).

Из этого описания ясно, что И.П. Павлов характеризует идеализированный «химический завод» конца XIX в. Поражает технологичность описания И.П. Павловым такого «завода». Современный «химический завод» несравненно совершеннее того, каким его можно было представить себе столетие назад. Крупнейшие научные открытия и теоретические обобщения в корне изменили представления об оснащении этого «завода<> и о главных технологических принципах его работы. Начнем с наиболее фундаментальных проблем, касающихся общих представлений об экзотрофии и механизмах переваривания пищи.

Пищеварение, т.е. превращение исходных пищевых веществ во всасываемые продукты, — основной технологический процесс переработки пищи — происходит в результате действия различных гидролитических ферментов. Они осуществляют поэтапное расщепление биополимеров за счет особо организованных ферментных систем, или цепей. Примером такой цепи может служить протеазная цепь, включающая в себя кислые протеазы желудка, нейтральные протеазы поджелудочного сока и пептидазы кишечного происхождения, реализующие конечные стадии расщепления белков также в нейтральной среде. Аналогичные цепи существуют для гидролиза углеводов, липидов, фосфолипидов и других полимеров.

Общей закономерностью, справедливой, по-видимому, для всех живых существ, является первоначальное переваривание в кислой среде и последующий гидролиз и всасывание в нейтральной. У примитивных организмов это достигается изменением реакции, например, в пищеварительных вакуолях. У высших животных и человека отдельные звенья цепи реализуются в различных отделах желудочно-кишечного тракта, что позволило выделить следующие специализированные регионы пищеварительной системы.

1. Регион поглощения.

2. Передающий регион, который может также осуществлять функцию хранения.

3. Пищеварительный регион: а) регион начального пищеварения, б) регион конечного пищеварения и всасывания.

4. Регион всасывания воды, который имеет особое значение для всех наземных организмов, включая человека.

Однако такая классификация нуждается в некоторых уточнениях и дополнениях. Так, регион 1 должен быть охарактеризован как область механической обработки пищи и ее подготовки к дальнейшей обработке, в частности под действием слюны. Регион 3б следует называть пищеварительно-транспортным, а регион 4 — реабсорбции, так как в нем осуществляется всасывание не только воды и солей, но и ряда эндогенных компонентов (например, конъюгированных желчных кислот и др.).

Все существующие организмы (за исключением некоторых эндопаразитов) в качестве пищевых веществ используют преимущественно макромолекулы. Последние включают белки, жиры, углеводы и нуклеиновые кислоты. В ходе эволюции был сформирован набор специфических гидролитических ферментов, осуществляющих деполимеризацию всех указанных групп пищевых веществ до мономеров, пригодных к всасыванию и ассимиляции. Деградация пищи включает в себя три этапа: механическое измельчение, физико-химическое разрушение (кислый pH, биологические детергенты) и ферментативный гидролиз. По-видимому, последний механизм играет наиболее существенную роль в деполимеризации пищевых веществ.

2.2. Общая характеристика пищеварительных ферментов

Обращает на себя внимание принципиальное сходство, а иногда и поразительное совпадение ферментных систем, реализующих пищеварение у различных организмов. Поэтому те характеристики, которые будут представлены ниже, применимы для ферментных систем как высших, так и низших организмов, включая простейших. Все пищеварительные ферменты являются гидролазами и делятся на три основные группы: 1) пептид-гидролазы (КФ 3.4.—), расщепляющие пептидные связи в белках и полипептидах; 2) гликозидазы, или карбогидразы (КФ 3.2.1.—), гидролизующие глюкозидные связи в углеводах; 3) липазы (КФ 3.1. —), действующие на эфирные связи в жирах.

2.2.1. Пептид-гидролазы

Эти ферменты, называемые также протеиназы, протеазы, пептидазы, подразделяются на эндо- и экзоферменты. Первые связаны с инициацией протеолизаи расщепляют пептидные связи во внутренних областях белковых молекул, образуя более короткие полипептид-ные цепи (однако они могут также расщеплять пептидные связи, расположенные на концах молекул белков или полипептидов). Ферменты действуют как внутриклеточно (в пищеварительных вакуолях), так и внеклеточно. Экзоферменты последовательно расщепляют концевые пептидные связи полипептидных цепей, образованных эндопептидазами при гидролизе белков и более высокомолекулярных полипептидов. Они освобождают аминокислоты и образуют более короткие полипептиды, а также олиго-, три- и дипептиды. Последние вновь атакуются соответствующими экзофер-мептами, завершающими гидролиз белковой молекулы до составляющих ее аминокислот.

Эндоферменты специфичны по отношению к определенным пептидным связям, и поэтому только часть свободных внутренних пептидных связей фактически атакуется каким-либо из них. Эндоферменты (протеазы, КФ 3.4.21—24), расщепляющие до полипептидов большую часть белков пищи, обладают как сходством, так и определенными различиями с ферментами, действующими внутри клеток. Внутриклеточные протеазы, называемые катепсинами, с оптимумом активности при слабокислых значениях pH, локализованы в лизосомах и обладают относительно широкой субстратной специфичностью. Так называемые кислые протеазы (пепсин) у беспозвоночных животных практически не встречаются. У позвоночных животных пепсин (КФ 3.4.23.1) секретируется клетками желудка в форме профермента пепсиногена, который после активации соляной кислотой желудочного сока гидролизует преимущественно связи, прилегающие к остаткам ароматических или дикарбоновых L-аминокислот полипептидных цепей. Пепсин расщепляет белки главным образом до полипептидов, хотя среди продуктов гидролиза встречаются низкомолекулярные пептиды и аминокислоты.

В желудке представителей одного вида можно встретить несколько различающихся форм пепсина. У человека в желудочном соке идентифицирована еще одна протеаза — гастриксин. В желудке жвачных животных, еще сосущих молоко, обнаружен химозин, или реннин (КФ 3.4.23.4) — фермент, створаживающий молоко.

На том основании, что частично известная последовательность аминокислотных остатков пепсина, гаст-риксина и реннина весьма близка, высказано предположение, что эти ферменты произошли в ходе эволюции от одного общего предшественника — кислой протеазы — в результате удвоения гена через гипотетическую промежуточную протеазу.

У представителей всех позвоночных животных, а также у человека, клетки поджелудочной железы секретируют сериновые протеазы — трипсин, химотрипсин (несколько изоферментов) и эластазу (панкреатопепгидазу). Все эти ферменты первоначально продуцируются в неактивном состоянии в виде предшественников трипсиногена, химотрипеиногена и проэластазы (пропанкреатопептидазы). Трипсиноген после активации энтеропептидазой (энтерокиназой) или аутолитической активации расщепляет пептидные связи, образованные карбоксильными группами L-apгинина и L-лизина. Химотрипсин образуется из химотрипсиногена после активации последнего трипсином и гидролизует преимущественно пептидные связи, образованные карбоксильными группами ароматических а-аминокислот. Эластаза секретируется в виде профермента проэластазы. После активации трипсином фермент гидролизует связи, образованные нейтральными аминокислотами, особенно в эластине.

Сопоставление последовательности аминокислотных остатков у трипсина, химотрипсина и эластазы выявило ее отчетливую гомологию. Их активные центры также идентичны и включают остатки серина и гистидина. Высказана гипотеза, что эти ферменты произошли от общей нейтральной протеазы в результате эволюционного процесса, предполагаемого для пепсина.

Ферменты, обладающие трипсино- и химотрипсино-подобной активностями, обнаружены в кишечнике целого ряда беспозвоночных животных (в частности, у кишечнополостных, насекомых и др.). Следует отметить, что микроорганизмы, и в том числе актиномицеты, продуцируют ряд протеолитических ферментов. Так, у некоторых из них обнаружена кератиназа (КФ 3.4.99.11), обладающая способностью расщеплять нативный кератин.

Коллагеназа (КФ 3.4.24.3) выявлена в гепатопан-креасе некоторых крабов, а также в ядах различных змей. При этом протеазы беспозвоночных животных (например, коллагеназа и фибринолизин бактерий), а также трипсино- и химотрипсиноподобные активности по своей молекулярной структуре и молекулярным массам близки с пепсином, трипсином и химотрипси-ном позвоночных. Однако в отличие от ферментов позвоночных они продуцируются в активной форме. Эти свойства внеклеточных протеаз сходны с таковыми внутриклеточных ферментов, например таких, как ка-тепсипы. Основное различие между этими группами ферментов состоит в том, что внеклеточные ферменты требуют предварительной активации, что может рассматриваться как предосторожность против самопереваривания. Не исключено, что физиологическая роль ингибиторов Кунитца и Казеля, продуцируемых клетками поджелудочной железы позвоночных, также заключается в предупреждении внутриклеточной активации протеолитических ферментов.

В число экзопептидаз (КФ 3.4.11 —15) входит несколько групп ферментов, среди них карбоксипептидазы (КФ 3.4.12. — ), аминопептидазы (КФ 3.4.11.—) и дипептидазы (КФ 3.4.13. —), которые специфичны по отношению к одному или группе субстратов. Карбоксипептидазы А и В позвоночных секретируются клетками поджелудочной железы в неактивном состоянии как прокарбоксипептидазы А и В. Активация происходит под влиянием комбинированного действия трипсина и энтеропептидазы в случае карбоксипептидазы А и трипсина в случае карбоксипептидазы

В. Карбоксипептидаза А гидролизует пептиды, отщепляя С-концевой остаток L-аминокислоты. Карбоксипептидаза В гидролизует пептиды с остатками L-apгинина и L-лизина на С-концевом участке цепи, отщепляя эти остатки. Эти карбоксипептидазы обнаружены также в кишечнике беспозвоночных.

Аминопептидазы составляют основную часть пептидазной активности щеточной каймы клеток кишечного эпителия. Они отвечают также за ариламидазную и всю аминопептидазную активность по отношению к олигопептидам, за половину трипептидазной активности и имеют несомненное отношение к части дипептидазной активности. Ферменты этой группы содержатся также в клетках поджелудочной железы и желудка различных животных. Аминопептидазы реализуют гидролиз пептидной связи, образованной терминальной аминокислотой, имеющей свободную аминогруппу.

Завершает гидролиз белков третий тип экзопептидаз — дипептидазы, расщепляющие оставшуюся пептидную связь между двумя аминокислотными остатками. Дипептидазы обычно обладают групповой специфичностью, и одна дипептидаза может гидролизовать ряд пептидов, если они обладают общей аминокислотой. Дипептидазы участвуют в мембранном гидролизе пептидов в тонкой кишке высших животных и человека, а также в пищеварительных органах ряда беспозвоночных. Существуют сведения, что дипептидазы, локализованные в цитоплазме клеток, участвуют во внутриклеточном гидролизе дипептидов у бактерий и в тонкой кишке млекопитающих. Однако скорее внутриклеточные дипептидазы кишечной слизистой высших организмов участвуют в сложных процессах катаболизма белков, а не в расщеплении поступающих в клетку пищевых субстратов. Таким образом, дипептидазы пищеварительного аппарата в зависимости от организации животных могут участвовать как во внеклеточном, так и во внутриклеточном пищеварении.

Внутриклеточные эндо- и экзопептидазы могут встречаться и в непищеварительных органах животных. Предполагается, что их функция состоит в поддержании динамического гомеостаза между белками и другими азотистыми соединениями клетки. Важную роль в этих процессах играют синтез и деградация соответствующих ферментативно активных белков.

2.2.2. Гликозидазы

Гликозидазы (глюкозидазы, карбогидразы), принимающие участие в гидролизе углеводов, можно разделить на две группы: 1) эндоферменты (преимущественно амилазы) и 2) экзоферменты (ди- и олиго-сахаридазы). Первые расщепляют a-1,4-глюкозидные связи в молекулах полисахаридов (крахмал, гликоген, родственные им полисахариды) до олиго- и дисахаридов (количество образующейся глюкозы крайне незначительно), которые гидролизуются до моносахаридов соответствующими экзоферментами.

Многие ферменты, гидролизующие углеводы, представлены различными амилазами. К ним относятся амилаза слюны млекопитающих, в том числе человека, некоторых других хордовых и ряда беспозвоночных; панкреатическая амилаза млекопитающих (КФ 3.2.1.1.), кишечная гамма-амилаза (КФ 3.2.1.3) хордовых и беспозвоночных, внутриклеточные амилазы кишечнополостных и простейших. Все амилазы гидролизуют крахмал и гликоген, но не целлюлозу.

Крахмал растительного происхождения является смесью амилозы и амилопектина, в то время как гликоген (полисахарид животного происхождения) состоит из одного компонента, сходного с амилопектином, но имеющего более разветвленную молекулу. Амилазы в присутствии ионов хлора гидролизуют а-1,4-глюкозидные связи в молекулах амилозы, амилопектина и гликогена до декстринов (промежуточных продуктов гидролиза полисахаридов) с различной длиной цепи. Затем амилазы расщепляют декстрины до мальтозы и мальтоолигосахаридов, которые в свою очередь гидролизуются до мальтозы и глюкозы. В итоге под действием амилаз происходит полная конверсия крахмала и гликогена в мальтозу, изомальтозу и небольшое количество глюкозы.

Экзогликозидазы (а- и β-глюкозидазы) гидролизуют олиго- и дисахариды (мальтозу и изомальтозу, образованные при гидролизе крахмала и гликогена, сахарозу, лактозу и трегалозу) до конечных продуктов гидролиза — моносахаридов. Так, мальтаза (КФ 3.2.1.20) расщепляет молекулу мальтозы на две молекулы глюкозы, изомальтаза (КФ 3.2.1.10) — изомальтозу на две молекулы глюкозы, сахараза, или инвертаза (КФ 3.2.1.26 и 3.2.1.48) — сахарозу на глюкозу и фруктозу, лактаза (КФ 3.2.1.23) — лактозу на глюкозу и галактозу и т.д. Гамма-амилаза (КФ 3.2.1.3) гидролизует мальтозу, а также отщепляет концевые глюкозидные остатки в полисахаридных цепях, принимая участие в расщеплении крахмала и гликогена.

Перечисленные экзогликозидазы синтезируются в кишечных клетках как хордовых, так и беспозвоночных животных. Важно, что внутриклеточные гликозидазы беспозвоночных животных, у которых имеет место внутриклеточное пищеварение, по своим функциям и многим характеристикам сходны с таковыми внеклеточных ферментов.

Что касается переваривания целлюлозы, составляющей большую часть пищи травоядных, то лишь небольшое число организмов обладает ферментными системами (КФ 3.2.1.4, целлюлаза), которые могут расщеплять это вещество на более простые продукты, способные к всасыванию и дальнейшему усвоению. В эту группу входит ряд брюхоногих и пластиножаберных моллюсков, некоторые ракообразные, рептилии и рыбы, насекомые, а также простейшие, использующие целлюлазу для деградации клеточных стенок зеленых водорослей и утилизации их содержимого. Целлюлаза играет важную роль в переваривании целлюлозы у кольчатых червей и иглокожих. Большинство травоядных животных (как позвоночных, так и беспозвоночных) для гидролиза целлюлозы используют симбионтные организмы. Кроме того, целлюлаза обнаружена у гнилостных бактерий и грибов.

2.2.3. Липазы

Ферменты как внеклеточные, например панкреатическая липаза и кишечная моноглицеридлипаза хордовых, так и липазы беспозвоночных животных, реализующие внутриклеточное пищеварение, расщепляют жиры. Липазы гидролизуют преимущественно триглицериды с образованием 2-моноглицеридов и жирных кислот, при этом активирующее действие оказывают соли желчных кислот.

Панкреатическая фосфолипаза (КФ 3.1.1.4) секретируется в виде профермента профосфолипазы А и активируется трипсином. Фермент гидролизует эфирную связь глицерина и- жирной кислоты у второго атома углерода, превращая лецитин в изолецитин и жирную кислоту. Кишечная моноглицеридлипаза (КФ 3.1.1.23) гидролизует эфирные связи 2-моноглицеридов, образующихся при гидролизе триглицеридов. В гидролизе жиров у беспозвоночных животных, по-видимому, участвуют преимущественно эстеразы. Эти ферменты (кроме липазы) наблюдаются в средней кишке ракообразных, у насекомых, двустворчатых моллюсков, у которых встречаются как вне-, так и внутриклеточные пищеварительные эстеразы, у брюхоногих моллюсков, в кишечнике многощетинковых червей и иглокожих, а также у простейших.

Кроме указанных групп ферментов, существует несколько других, также играющих важную роль в пищеварительных процессах. Эти ферменты известны главным образом у хордовых животных, но, возможно, существуют также и у беспозвоночных. В качестве примера могут быть приведены щелочная фосфатаза (КФ 3.1.3.1), гидролизующая моноэфиры ортофосфор-ной кислоты, а также нуклеазы (РНКаза и ДНКаза), нуклеотидазы, нуклеозидазы и другие (КФ 3.1.3.—), продуцируемые клетками поджелудочной железы и синтезируемые клетками кишечного эпителия хордовых животных. Эти ферменты расщепляют полинуклеотиды и нуклеиновые кислоты пищи до пуринов, пиримидинов, дезоксирибозы, рибозы и фосфата.

2.2.4. Молекулярная структура и некоторые характеристики мембранных пищеварительных ферментов

Основные процессы гидролиза и транспорта у высокоорганизованных животных и человека, а также у ряда беспозвоночных реализуются в кишечнике. В связи с этим рассмотрим особенности структуры пищеварительных ферментов апикальной мембраны кишечных клеток млекопитающих, которые осуществляют заключительные этапы гидролиза основных групп пищевых веществ. При этом возможна прямая экстраполяция характеристик кишечных мембранных ферментов теплокровных организмов на характеристики ферментов более низкоорганизованных животных, так как строение мембраны и ферментативно активных белков, встроенных в фосфолипидный матрикс мембраны, практически универсально.

Большинство кишечных ферментов является трансмембранными интегральными белками (точнее, гликопротеинами) с большой молекулярной массой. Так, молекулярная масса кишечной щелочной фосфатазы — около 120 000—130 000 дальтон, аминопептидазы — варьирует от 225 000 до 280 000 в зависимости от вида животного, карбогидраз, в том числе сахаразно-изомальтазного комплекса, более 200 000. Однако некоторые ферменты, например дипептидаэы апикальной мембраны кишечных клеток, могут быть периферическими интегральными белками, т.е. лишь частично включенными в фосфолипидный бислой мембраны, о чем можно судить по их спонтанной солюбилизации (рис. 1). По-видимому, в естественных условиях мембранные ферменты существуют в виде олигомеров, примером чему служит сахаразно-изомальтазный комплекс.

Рис. 1. Схема различных типов локализации интегральных белков в мембране.

1,4 — трансмембранные интегральные белки; 2 — периферический интегральный белок; 3 — периферический белок.

Рис. 2. Положение сахаразно-изомальтазного комплекса в щеточнокаемной мембране клеток тонкой кишки.

(СНО) — углеводные цепи; с — С-конец цепи; N—N-конец цепи; С — сахаразная субъединица; И — изомальтазная субъединица; М — мембрана.

Рис. 3. Модель включения кишечной щеточнокаемной аминопептидазы в мембрану за счет N-концевых аминокислотных остатков.

1 — внеплазматическая поверхность; 2 — цитоплазматическая поверхность; 3 —мембрана; 4 — гидрофобный домен фермента, состоящий примерно из 20 аминокислотных остатков; «+» — положительно заряженный N-концевой тирозин и лизин в позиции 4; «—» — отрицательно заряженные внутренние фосфолипидные головки (или цвиттерионы). I — связывание образующейся цепи благодаря электростатическим взаимодействиям с цитоплазматической поверхностью мембраны; II — прямое перемещение гидрофобной части фермента во внутреннюю область мембраны; III, IV — дальнейший рост цепи за счет предполагаемого механизма, выдвигающего цепь на внеплазматическую поверхность мембраны.

Часть фермента может выступать над поверхностью трехслойной мембраны примерно на 10—15 нм. Простетическая группа молекулы фермента — олигосахаридная цепь (цепи) занимает наружное положение по отношению к мембране и выдается в полость тонкой кишки, возможно, принимая участие в формировании структур гликокаликса, рецепции биологически активных веществ и связывании субстратов (рис. 2).

Мембранные интегральные ферменты обладают амфипатической структурой и состоят из гидрофильного и гидрофобного доменов. Гидрофильный домен, составляющий от 90 до 95% массы фермента, несет на себе углеводные остатки и каталитический центр, обращенный в полость тонкой кишки. Такая локализация каталитического центра постулирована нами еще в начале 60-х гг. и окончательно подтверждена в последние годы. Остальная масса фермента относится к гидрофобному домену, который состоит преимущественно из гидрофобных аминокислот и пронизывает насквозь фосфолипидный бислой, в некоторых случаях заканчиваясь небольшим гидрофильным пептидом, экспонированным на внутренней поверхности мембраны (рис. 3). По мнению ряда исследователей, роль гидрофобного домена фермента заключается во взаимодействии с фосфолипидным матриксом мембраны и в фиксации гидрофильного каталитического домена (якорная функция).

В нашей лаборатории в дополнение к якорной функции гидрофобного домена фермента продемонстрированы его некоторые другие жизненно важные функции: 1) поддержание оптимальной конформации гидрофильного каталитического домена; 2) стабилизация структуры фермента при действии различных факторов; 3) реализация регуляторных функций и ряда других. Действительно, при отделении гидрофобного домена от гидрофильного утрачиваются регуляторные свойства фермента. На этом основании мы высказали предположение, что гидрофобные субъединицы ферментов участвуют в передаче регулирующих сигналов из цитоплазмы клетки на внешнюю поверхность мембраны и таким образом выполняют функции не только внешнего, но и внутреннего регулирования. Регулирующими сигналами могут служить пищевые вещества. Благодаря регулируемости многих ферментов происходит саморегуляция естественного пищеварения на молекулярном уровне. Кроме того, гидрофобный домен участвует в температурных адаптациях, как и фосфолипидный матрикс мембраны.

Благодаря системе регулируемых ферментов ферментный пул кишечной поверхности представляет собой систему, легко адаптируемую к различным программам работы в зависимости от состава пищи. Ферментные и транспортные системы обеспечивают высокую приспособляемость ассимиляторного аппарата к условиям функционирования, так как их регулируемость способствует повышению или понижению активности в широких пределах без изменений состава соответствующего пула. В последние годы документировано, что обмен мембранных белков, в частности ферментов и транспортеров, превращает плазматическую мембрану кишечных клеток в поверхность, обладающую высокой динамичностью и способностью к быстрым адаптивным перестройкам.

2.3. Основные типы пищеварения

По механизму действия ферментов на субстраты, по механизмам их поступления к месту функционирования, по взаимоотношениям пищеварительных процессов и клеточной границы и, наконец, по отношению к процессам транспорта можно выделить три основных типа пищеварения: внеклеточное дистантное, внутриклеточное и мембранное (рис. 4).

2.3.1. Внеклеточное дистантное пищеварение

Этот тип пищеварения характеризуется тем, что синтезированные секреторными клетками ферменты выделяются во внеклеточную среду, где реализуется их гидролитический эффект. Этот тип пищеварения является основным у организмов, стоящих на более высоком этапе эволюционного развития, чем плоские черви, и преобладает у кольчатых червей, ракообразных, насекомых, головоногих, оболочников и хордовых. Он особенно развит у высокоорганизованных животных и человека, у которых обеспечивает начальное переваривание пищевых веществ. У этих организмов секреторные клетки расположены достаточно далеко от полостей, где реализуется действие ферментов, поэтому внеклеточное пищеварение определяется как дистантное. Дистантное пищеварение, происходящее в специальных полостях, обозначается как полостное. Дистантное пищеварение может происходить и за пределами организма, продуцирующего ферменты. Так, насекомые вводят пищеварительные ферменты в обездвиженную добычу, а бектерии выделяют разнообразные ферменты в культуральную среду.

Так как секретируемые в составе пищеварительных соков ферменты растворены в водной фазе, их пространственная организация невозможна или весьма ограничена. Если в растворе действует несколько ферментов, то их распределение имеет вероятностный характер. Растворенные ферменты эффективны при расщеплении как поверхностно, так и глубоко локализованных пептидных, глюкозидных, эфирных и других связей благодаря любой ориентации активного центра фермента относительно атакуемых молекул субстрата.

Рис. 4. Основные типы пищеварения.

А — внеклеточное дистантное пищеварение; Б — внутриклеточное цитоплазматическое пищеварение; В — внутриклеточное вакуолярное, или вне-плазматическое, пищеварение, связанное с эндоцитоэом (фаго- и пиноцитозом); Г — мембранное пищеварение. 1 — внеклеточная среда; 2 — внутриклеточная среда; 3 — внутриклеточная пищеварительная вакуоль; 4 — лизосома; 5 — ядро; 6 — мембрана; 7 — ферменты; 8 — субстраты и продукты их гидролиза.

Вместе с тем целостное пищеварение не обеспечивает эффективного перехода от гидролиза к транспорту, так как резорбирующая мембрана и освобождающиеся в процессе гидролиза мономеры разделены значительным расстоянием и требуется определенное время, чтобы мономеры достигли поверхности всасывающей клетки. Существует определенная вероятность перехвата продуктов гидролиза (прежде чем они достигнут резорбирующей поверхности) бактериями, населяющими полость тонкой кишки высших организмов.

2.3.2. Внутриклеточное пищеварение

Этим термином обозначаются случаи, когда не-расщепленные или частично расщепленные пищевые вещества проникают внутрь клетки, где подвергаются гидролизу ферментами цитоплазмы, не выделяемыми за пределы клетки. Внутриклеточное пищеварение распространено у простейших и наиболее примитивных многоклеточных организмов, например у губок и плоских червей. Как дополнительный механизм гидролиза пищевых веществ оно встречается у немертин, иглокожих, некоторых кольчатых червей и многих моллюсков. У высших позвоночных животных и человека оно выполняет главным образом защитные функции, например фагоцитоз.

Различаются два типа внутриклеточного пищеварения. Первый связан с транспортом небольших молекул через клеточные мембраны и последующим перевариванием ферментами цитоплазмы. Внутриклеточное пищеварение может также происходить в специальных внутриклеточных полостях — пищеварительных вакуолях, присутствующих постоянно или образующихся при фагоцитозе и пиноцитозе и исчезающих после расщепления захваченной пищи. Второй тип пищеварения в большинстве случаев связан с участием лизосом, которые содержат широкий набор гидролитических ферментов (фосфатаз, протеаз, глюкозидаз, липаз и др.) с оптимумом действия в кислой среде (pH 3.5—5.5). Пищевые структуры или пищевые растворы в околоклеточной среде вызывают впячивания плазматической мембраны, которые затем отшнуровываются и погружаются в цитоплазму, образуя пиноцитозные и фагоцитозные вакуоли. Соединяясь с последними, лизосомы образуют фагосомы, где происходит контакт ферментов с соответствующими субстратами. Образовавшиеся продукты гидролиза всасываются через мембраны фагосом. После завершения пищеварительного цикла остатки фагосом выбрасываются за пределы клетки путем экзоцитоза. Лизосомы играют также важную роль в расщеплении собственных структур клетки, которые используются в качестве пищевого материала либо данной клеткой, либо за ее пределами.

По своим механизмам внутриклеточное пищеварение может быть рассмотрено как сочетание микрополостного и мембранного гидролиза в пределах клетки. Действительно, при внутриклеточном пищеварении ферменты могут оказывать свой гидролитический эффект в цитоплазме клетки или в фагосоме, т.е. в среде, что свойственно полостному пищеварению, а также на внутренней поверхности фагосомной мембраны, что свойственно мембранному пищеварению.

Внутриклеточное пищеварение лимитировано проницаемостью мембраны и процессами эпдоцитоза, которые характеризуются небольшой скоростью и, по-видимому, не могут играть существенной роли в обеспечении пищевых потребностей высших организмов.

Тем не менее они могут способствовать проникновению в клетку некоторых уникальных веществ, в частности иммуноглобулинов.

Эндоцитозам приписывается важная роль в ассимиляции пищевых веществ в период раннего постнатального развития.

2.3.3. Мембранное (пристеночное, контактное) пищеварение

Мембранное пищеварение, открытое в конце 50-х гг., пространственно занимает промежуточное положение между внеклеточным и внутриклеточным и осуществляется ферментами, локализованными на структурах клеточной мембраны и ее дериватов (у высших животных и человека — на апикальной поверхности кишечных клеток). Активные центры ферментов ориентированы определенным образом по отношению к мембране и водной фазе. Свободная ориентация каталитических центров ферментов по отношению к субстратам невозможна. Глубоко расположенные связи, по-видимому, недоступны действию ферментов, осуществляющих мембранное пищеварение. Этим оно существенно отличается от полостного и внутриклеточного типов, если последнее происходит в фагосомах.

Мембранное пищеварение осуществляется как адсорбированными из полости тонкой кишки ферментами (преимущественно панкреатического происхождения), так и собственно кишечными, или мембранными, синтезированными в кишечных клетках и встроенными в состав их апикальной липопротеиновой мембраны (табл. 1). Ферменты, адсорбированные на структурах кишечной слизистой (главным образом в гликокаликсном пространстве), реализуют в основном промежуточные этапы гидролиза всех основных видов пищевых веществ. Собственно кишечные ферменты осуществляют преимущественно заключительные этапы расщепления пищевых биополимеров. По-видимому, адсорбированные ферменты связаны в основном со структурами гликокаликса (рис. 5), а собственно кишечные встроены в структуры плазматической мембраны кишечных клеток. Тем не менее на поверхности липопротеиновой мембраны могут адсорбироваться ферменты, поступающие в полость тонкой кишки с панкреатическим соком, а собственно кишечные ферменты, по крайней мере частично, могут включаться в гликокаликс.

Основные ферменты, реализующие мембранное пищеварение в тонкой кишке млекопитающих

Происхождение фермента

Фермент

КФ

Адсорбированные панкреатические ферменты

Амилаза

3.2.1.1

Липаза

3.1.1.3

Трипсин

3.4.21.4

Химотрипсин

3.4.21.1

Карбоксипептидаза А

3.4.12.2

Карбоксипептидаза В

3.4.12.3

Эластаза

3.4.21.11

Рибонуклеазэ

3.1.4.22

Собственно кишечные ферменты

Мальтаза

3.2.1.20

Сахараза

3.2.1.48

Изомальтаза

3.2.1.10

Гамма-амилаза

3.2.1.3

Лактаза

3.2.1.23

Трегаяаза

3.2.1.28

Щелочная фосфатаза

3.1.3.1

Моноглицеридлипаза

3.1.1.23

Пептидазы

3.4.11 - 15

Аминопептидаза *

3.4.11.2

Дипептидиламинопепти- даза

3.4.14.1

Карбоксипептидаза

3.4.12.4

Энтерслептидаза

3.4.21.9

Гамма-глутамилтранспептидаза

2.3.2.2

Холестеролэстераза

3.1.1.13

* Аминопептидаза М, аминопешчдаза N, аланинаминопептидаза.

Рис. 5. Упрощенная схема распределения адсорбированных ферментов на поверхности гликокаликса (I), в гликокаликсном пространстве (II) и на липопротеиновой мембране (III) кишечной клетки.

1 — полость тонкой кишки; 2 — ферменты;3 — гликокаликс; 4 — мембрана.

Рис. 6. Схема отделения апикального гликокаликса от липопротеииовой мембраны кишечной клетки.

1 — агаровая реплика; 2 — апикальный гликокаликс; 3 — микровор-синки; 4 — латеральный гликокаликс.

Рис. 7. Щеточная кайма кишечной клетки крысы.

А— продольный разрез апикальной зоны интактной клетки; виден гликокаликс на внешней (апикальной) и боковой (латеральной) поверхностях микроворсинок. В — продольный разрез апикальной зоны клетки после отделения агаровой реплики; гликокаликс на внешней поверхности микроворсинок отсутствует, видны неповрежденная липопротеиновая мембрана клетки и латеральный гликокаликс. 80 000х.

Рис. 8. Роль ферментно-транспортных комплексов в предотвращении конкуренции между мономерами на стадии всасывания.

А — конкуренция между мономерами за общий вход в транспортную систему; Б — конкуренция между финальными продуктами гидролиза за общий вход в транспортную систему; В — ферментно-транспортный комплекс: передача конечных продуктов гидролиза с фермента на вход в транспортную систему (без конкуренции). 1 — мономер; 2 — димер; 3 — фермент; 4 — транспортная система; 5 — мембрана.

Несколько лет назад нами впервые препаративно отделен апикальный гликокаликс от плазматической мембраны кишечных клеток крыс без повреждения этой мембраны (рис. 6, 7). Было обнаружено, что в апикальном гликокаликсе, отделяющем мембрану от внеклеточной среды, сосредоточено около 60% панкреатической амилазы, более 80% трипсина и около 20% химотрипсина, адсорбированных на структурах кишечной слизистой оболочки. Следовательно, примерно 40% амилазы, 20% трипсина и 80% химотрипсина, адсорбированных на этой оболочке, могут быть локализованы в латеральном гликокаликсе, т.е. в межмикрозорсинчатом пространстве, а также, возможно, частично на липопротеиновой мембране. В этих же экспериментах продемонстрировано, что такие собственно кишечные ферменты, как сахараза, гамма-амилаза, ди- и трипептидазы, связаны преимущественно с липопротеиновой мембраной. Однако щелочная фосфатаза, рассматриваемая как трансмембранный интегральный фермент, присутствует в довольно значительных количествах (до 20%) в апикальном гликокаликсе. (Сходные данные получены па курах). Кроме того, выявлено, что в апикальном гликокаликсе содержится 3.6% лейцинариламидазы, менее 2% пролилглициндипептидазы и менее 1% глицилпролинди-пептидазы.

Благодаря локализации кишечных ферментов на липопротеиновой мембране в непосредственной близости от транспортных систем мембранное пищеварение обеспечивает сопряжение конечных этапов переваривания и начальных этапов всасывания. Это достигается в результате специальной организации пищеварительных и транспортных функций клеточной мембраны в виде своеобразного пищеварительно-транспортного конвейера, способствующего передаче конечных продуктов гидролиза с фермента на вход в транспортную систему и предотвращению конкуренции между ними за обладание входом в последнюю (рис. 8). Иными словами, мембранный фермент и транспортная система образуют олигомерный комплекс, между частями которого существуют кооперативные и аллостерические взаимодействия (рис. 9, 10).

Мембранное пищеварение наблюдается у организмов на всех уровнях эволюционного развития, т.е. является универсальным механизмом. Оно обнаружено у всех млекопитающих, включая человека, у птиц, рыб, амфибий, круглоротых, а также у беспозвоночных животных, в том числе у насекомых, ракообразных, моллюсков, у различных паразитирующих форм. Существуют данные о наличии мембранного пищеварения у дрожжей, бактерий и в корнях растений.

Для правильной оценки мембранного пищеварения существенны следующие факторы.

1. Ферменты, реализующие этот процесс, относятся к структурированным. В связи с этим возможна пространственная организация как ферментных, так и транспортных систем, объединяющих заключительные этапы переваривания и начальные этапы всасывания.

2. Структурирование ферментов приводит к изменению их свойств. Так, отделение ферментов от мембраны меняет их каталитические и регуляторные характеристики.

3. Зона мембранного пищеварения обладает особыми физико-химическими свойствами, в частности такими как pH, концентрация органических и неорганических ионов, неперемешиваемый слой жидкости.

4.    Мембранное пищеварение осуществляется в стерильной зоне, недоступной для бактерий, что предотвращает поглощение последними легко усвояемых низкомолекулярных пищевых веществ.

5.    Благодаря ферментному аппарату гликокаликсный слой превращается в высокоспецифический фильтр. Через этот слой проникают те вещества, для которых на поверхности и внутри гликокаликсного пространства имеются адекватные ферменты, но не проникают другие вещества с такими же размерами молекул.

6.    Для понимания эффективности мембранного пищеварения и трансмембранной проницаемости важны сведения о сократительной функции щеточной каймы, регулируемой кальцием. Показано, что микрофиламенты микроворсинок, выполняющие эти функции, содержат актин и миозин и связаны с апикальной мембраной кишечных клеток.

7.    Следует учитывать не только процессы синтеза кишечных ферментов и их включения в состав апикальной мембраны кишечных клеток, по и скорость их деградации. (Более подробно см. гл. 5).

Рис 9. Схема последовательных конформационных взаимодействий и транспортной частей комплекса.

1 - субстрат; 2 - продукт; 3 - трансмембранный фермент; транспортная система; 5 - мембрана

2.4. Схема переваривания пищи как сочетание трех основных типов пищеварения

После обнаружения мембранного пищеварения классическая схема ассимиляции пищи претерпела существенные изменения. Согласно классическим представлениям, пищевые вещества — нутриенты, способные к всасыванию и ассимиляции, освобождаются в результате ферментативного гидролиза сложных органических соединений за счет внеклеточного (полостного) и внутриклеточного типов пищеварения. При этом усвоение пищевых веществ происходит в два этапа: полостное пищеварение—всасывание. Согласно современной схеме, усвоение пищи реализуется не в два, а в три этапа: полостное пищеварение—мембранное пищеварение—всасывание с более или менее выраженным компонентом внутриклеточного пищеварения. Таким образом, мембранное пищеварение, занимая по функциональной позиции промежуточное положение между полостным пищеварением и всасыванием, является акцепторным механизмом по отношению к полостному гидролизу и донорным по отношению к всасыванию. Следовательно, полостное пищеварение без мембранного не имеет существенного значения, так как всасывание без предварительного мембранного гидролиза невозможно из-за отсутствия адекватных субстратов. Вместе с тем нельзя недооценивать роль полостного пищеварения, так как обычные пищевые продукты не способны проникать в зону щеточной каймы и гликокаликсное пространство без обработки в пищеварительных полостях.

В реальных условиях имеет место сочетание двух или трех механизмов пищеварения (вне-, внутриклеточного и мембранного) у одного и того же организма. Возможно, благодаря этому достигается особенно высокая эффективность и экономичность работы пищеварительного аппарата.

Для высших животных и человека наиболее характерным является сочетание полостного и мембранного пищеварения (рис. 11). Начальные стадии гидролиза реализуются с помощью секретируемых в полость тонкой кишки преимущественно панкреатических ферментов. Здесь происходит разрушение клеточных структур пищевых продуктов и гидролиз некоторой части химических связей в молекулах биополимеров. Сравнительно мелкие молекулы проникают в зону щеточной каймы, где под влиянием адсорбированных и собственно кишечных мембранных ферментов гидролиз завершается и осуществляется переход к всасыванию. Важно, что за счет мембранного пищеварения расщепляется около 80—90% химических связей.

Рис. 10. Упрощенная схема аллостерических взаимодействий ферментной и транспортной частей комплекса,

А — аллостерические влияния фермента на вход в транспортную систему; Б — аллостерические влияния транспортной системы на активность фермента. 1 — субстрат; 2 — продукт; 3 — фермент; 4 - транспортная система; 5 — мембрана.

Большинство надмолекулярных агрегаций и крупных молекул (белки и продукты их неполного гидролиза, углеводы, жиры) у млекопитающих расщепляются в полости тонкой кишки в нейтральной или слабощелочной средах преимущественно под влиянием ферментов (эндогидролаз), секретируемых клетками поджелудочной железы. Пептиды, образовавшиеся в кислой среде желудка под влиянием кислых протеаз, и нерасщепленные белки гидролизуются трипсином, химотрипсином, карбоксипептидазами А и В и эластазон. В результате последовательного действия этих ферментов в полости тонкой кишки из крупных белковых молекул образуются ннзкомолекулярные пептиды и незначительное количество аминокислот. Углеводы (полисахариды крахмал и гликоген) расщепляются амилазой поджелудочного сока до три- и дисахаридов без значительного накопления глюкозы. Жиры подвергаются гидролизу в полости тонкой кишки панкреатической липазой, которая поэтапно отщепляет жирные кислоты, что приводит к образованию ди- и моноглицеридов, свободных жирных кислот и глицерина. В гидролизе жиров существенную роль играет желчь.

Рис. 11. Схема взаимодействий полостного и мембранного пищеварения.

А — последовательная деполимеризация пищевых субстратов в полости и на поверхности тонкой кишки; Б — фрагмент липопротеиновой мембраны с адсорбированными и собственно кишечными ферментами. М — мембрана; МБ — микроворсинки; Га — апикальный гликокаликс; Гл — латеральный гликокаликс; С_1—С_2 — субстраты; Фп — панкреатические ферменты; Фм — мембранные ферменты; Т транспортная система; Р — регуляторные центры ферментов; К — каталитические центры ферментов; НЭ — неэпзиматические факторы.

Образующиеся в полости тонкой кишки продукты гидролиза благодаря перистальтическим движениям кишечной мускулатуры контактируют с поверхностью кишки, где происходит их дальнейшая обработка за счет мембранного пищеварения. Продукты частичного гидролиза поступают из полости тонкой кишки в зону щеточной каймы кишечных клеток (если размеры их молекул не слишком велики), чему способствует их перенос в потоках растворителя, возникающих за счет всасывания ионов натрия и воды кишечными клетками. Именно в зоне щеточной каймы и происходит мембранный гидролиз. При этом промежуточные стадии гидролиза биополимеров осуществляются панкреатическими ферментами (амилазой, трипсином, химотрипсином, карбоксипептидазами А и В и др.), адсорбированными на структурах щеточной каймы в гликокаликсном пространстве, а заключительные — собственно кишечными мембранными ферментами (гамма-амилазой, мальтазой, Пзомальтазой, сахаразой, лактазой, трегалазой, ди- три- и тетрапептидазами, аминопептидазой, щелочной фосфатазой, моноглицеридлипазой и др.), встроенными в липопротеиновую мембрану микроворсинок кишечных клеток. Некоторые ферменты (гамма-амилаза и аминопептидаза) гидролизуют высокополимеризованные продукты.

Олигопептиды, поступающие в зону щеточной каймы, расщепляются до аминокислот, способных к всасыванию, за исключением глицилглицина и некоторых дипептидов, содержащих пролин и оксипролин, которые всасываются в нерасщепленном виде. Дисахариды, поступающие с пищей и образующиеся при расщеплении крахмала и гликогена, гидролизуются собственно кишечными гликозидазами до моносахаридов, которые транспортируются через кишечный барьер во внутреннюю среду организма. Триглицериды расщепляются не только под действием панкреатической липазы, но и под влиянием кишечной моноглицеридлипазы.

На рис. 12 представлена схема структуры и функций кишечной клетки. Ее апикальная и базолатеральная мембраны содержат различные функциональные элементы, реализующие мембранный гидролиз и транспорт различных нутриентов, ионов, воды, а также энергизацию этих процессов.

Рис. 12. Схема структурных и функциональных компартментов кишечной слизистой оболочки.

А - структура компартментов; Б - потоки веществ; В - потоки воды.

2.5. Специализированные механизмы пищеварения

Пищеварительные процессы можно классифицировать не только по механизмам (внеклеточное дистантное, внутриклеточное, мембранное), но и по источникам ферментов. В зависимости от этого критерия можно выделить три типа пищеварения: 1) собственное пищеварение, когда источником фермента служит сам организм; 2) симбионтное пищеварение, для которого характерна продукция ферментов симбионтами — бактериями и простейшими; 3) аутолитическое пищеварение, происходящее за счет ферментов, содержащихся в пище. На основе технологических элементов, освещенных при описании собственного пищеварения, строятся чрезвычайно эффективные и сложные процессы симбионтного и аутолитического пищеварения.

2.5.1. Симбионтное пищеварение

Этот тип пищеварения реализуется за счет микроорганизмов желудочно-кишечного тракта. Они играют роль, которую следует учитывать почти во всех случаях. У человека и животных многих видов симбионтное пищеварение имеет второстепенное значение, хотя в отличие от желудка и тонкой кишки в их толстой кишке присутствует большое количество постоянной микрофлоры, состав которой определяется возрастом и типом питания. Вместе с тем продукция витаминов и некоторых незаменимых аминокислот у этих организмов осуществляется благодаря участию микроорганизмов.

Симбионтное пищеварение наряду с собственным характерно для жвачных животных. В ходе эволюции у этих организмов имели место структурные и функциональные перестройки желудочно-кишечного тракта, в частности развитие сложного желудка. Жвачные среди растительноядных занимают особое место, так как растительноядными они могут считаться лишь по качеству потребляемой пищи. По существу же их следует отнести к микробо- и протозоаядным. Их желудок (рубец и сетка) заполнены микрофлорой. Среда рубца и рефлекторная регуляция его pH благоприятствуют размножению микробов, что, по-видимому, является специальным приспособлением, выработанным в ходе эволюции. Содержимое желудка большинства других млекопитающих, напротив, обладает антисептическими свойствами. Важно, что в слюне и рубце жвачных ферменты отсутствуют, что способствует развитию микробной популяции.

Микрофлора рубца участвует в переваривании целлюлозы, ксилана, пектина, лигнина, белков и липидов, а продукты реакции сбраживает до летучих жирных кислот, углекислого газа и метана. Кислоты всасываются в этом же отделе, уксусная и масляная — окисляются с выделением энергии, а пропионовая используется для синтеза гексоз и жиров. Однако целлюлазной активностью обладает лишь 1—5% бактериальных клеток. Эти клетки образуют целлюлазу, действующую внеклеточно и расщепляющую целлюлозу до глюкозы.

Микробная популяция рубца растет, причем микроорганизмы поступают в сычуг, где в кислой среде за счет протеаз хозяина начинается их переваривание, заканчивающееся в кишечнике. Таким образом, значительную часть энергетических и пластических материалов у жвачных составляют их симбионтные бактерии и простейшие. Не менее важным свойством микрофлоры как источника питания служит ее способность синтезировать аминокислоты из мочевины, а также важнейшие витамины. В результате образуются вещества, не нуждающиеся в дальнейшем гидролизе (аминокислоты, глюкоза, жирные кислоты и т.д.). Возможно, этим обусловлена меньшая ферментативная активность секретов жвачных по сравнению с соками пищеварительных органов других животных.

Симбионтное пищеварение характерно также для длинноногих сумчатых и ряда других животных, подобных жвачным. У золотистого хомячка и некоторых других млекопитающих оно дополняет обычный процесс пищеварения. Симбионтное пищеварение широко распространено также у низших организмов, в частности у членистоногих.

2.5.2. Аутолитическое пищеварение и индуцированный аутолиз

Если оставить в стороне человека, потребляющего пищу после специальной термической обработки, а также сапрофитов, использующих деградированные объекты, все другие случаи биотрофии связаны с поглощением живых объектов (животных, растений, бактерий и т.д.). Их умерщвление и начальная деградация являются первым этапом ассимиляции, механизм которого недостаточно ясен. Привлекательно думать, что кислая среда, характерная для начальных стадий переваривания и создаваемая организмом-ассимилятором, эффективна для умерщвления пищевого объекта и денатурации белков. Если это предположение правильно, то у некоторых форм организмов кислотная денатурация пищевого объекта не обязательно связана с наличием кислых протеаз. Так, обнаружено, что первичная кислотная обработка пищевого объекта, по-видимому, более древний механизм, чем пепсинно-кислое пищеварение. В частности, в кислой среде вновь образующихся пищевых вакуолей простейших в ряде случаев не содержится кислых протеаз. Дальнейшая обработка пищевого материала протекает при нейтральных или даже щелочных значениях pH.

Ферменты, содержащиеся, в пище, могут иметь определенное значение в разрушении ее полимеров. Такое пищеварение можно было бы назвать аутолитическим. По-видимому, оно является древним и важным в развитии животного мира. Однако аутолиз не утратил своего значения и в питании современных животных. Например, при использовании травоядными свежих кормов расщепление пищи отчасти обусловлено ферментами, содержащимися в клетках растений. Некоторое значение в гидролизе пищевых веществ в желудочно-кишечном тракте новорожденных детей могут иметь гидролитические ферменты материнского молока. Наконец, «созревание» мяса есть не что иное, как частичный аутолиз, который можно рассматривать как некоторый элемент пищеварения.

Несколько лет назад нами опубликованы результаты исследований, позволившие предположить, что в основе начальных этапов расщепления пищи решающую роль играет индуцированный аутолиз (рис. 13).

Рис. 13. Схема, демонстрирующая роль индуцированного аутолиза в деградации клеточных структур.

А — многоклеточная структура; Б — влияние пищеварительных соков на многоклеточную структуру; В — влияние индуцированного аутолиза на многоклеточную структуру за тот же временной интервал. Стрелками на Б и Б показан временной интервал.

Суть этого механизма состоит в том, что кислый желудочный сок хищника индуцирует самопереваривание жертвы ее же ферментами. Под действием кислого желудочного сока происходит разрушение лизосом и выход в клетку многочисленных лизосомных гидролаз, разрушающих все структуры клетки при pH 3.5—5.5. Ионы водорода вызывают гибель клетки и нарушение мембранного барьера лизосом. По-видимому, механизм индуцированного аутолиза реализуется не только у хищных, но и у растительноядных организмов. Пищеварительные ферменты биотрофов, таким образом, дополняют индуцированный аутолиз пищевого объекта.

Итак, организм-ассимилятор индуцирует расщепление структур пищевого объекта его собственными ферментами, активируя их и создавая оптимальные условия среды, в том числе pH. В отличие от классических представлений о механизмах переваривания ферменты пищеварительных соков осуществляют свой эффект только поверхностно, причем скорость диффузии внутрь даже при низком диффузионном сопротивлении лимитирована их сравнительно большой молекулярной массой. Скорость диффузии гидратированного протона примерно в 1000 раз выше. При этом возникает множество центров гидролиза в каждой клетке, что Создает практически тотальное расщепление ткани. Следует добавить, что в кислых секретах организма-ассимилятора содержатся главным образом протеазы, тогда как ферментный спектр лизосом практически универсален. Однако в ассимилируемых объектах имеются структуры (белки соединительной ткани, жировые депо, в тканях растений — полисахаридные депо), лишенные лизосом и не подвергающиеся аутолизу. Следовательно, можно предположить, что ферменты пищеварительных соков (гидролазы, расщепляющие белки, жиры и углеводы) особенно важны для утилизации указанных структур с высокой скоростью.

Примеры индуцированного аутолиза обнаружены среди низших животных, в частности у простейших п плоских червей. После захвата пищевого объекта происходит образование новых вакуолей, обладающих кислой реакцией. Общепринято, что ацидификация окружающей среды связана с действием пепсин- или катепсинподобных ферментов. Хотя кислая фаза переваривания была интерпретирована как выполняющая лишь денатурацию структур пищевого материала, представленные данные свидетельствуют о значительном расщеплении пищи. Эти данные невозможно объяснить без гипотезы индуцированного аутолиза. В соответствии с этой гипотезой кислая среда пищеварительных вакуолей приводит к активации лизосомных ферментных систем двумя путями: 1) увеличивая проницаемость мембраны лизосом; 2) провоцируя адекватные условия для лизосомных ферментов, которые активны в слабокислой среде. Следовательно, возможен не только протеолиз, но и расщепление множества других пищевых веществ.

***

Обратим внимание на те особенности процессов переработки пищи, которые позволяют рассматривать их как естественную технологию. Несомненно, перед нами чрезвычайно сложная химическая технология, обеспечивающая извлечение из пищевого сырья важных компонентов и их перенос из кишечной во внутреннюю среду организма. В основном переработка пищевой массы сводится к механическим и гидролитическим (при участии многих ферментов) процессам.

Возможно, большое значение имеет специфическая адсорбция. Следует учитывать также, что ряд необходимых веществ вырабатывается в желудочно-кишечном тракте бактериальной флорой. В современном понимании работа пищеварительного аппарата не может ограничиться лишь извлечением полезных пищевых веществ, т.е. нутриентов, из пищевых продуктов, а включает в себя также их образование под влиянием симбионтов. У организмов многих видов этот механизм является решающим. Таким образом, процесс экзотрофии представляет собой сочетание механических, физических и химических преобразований, поражающих совершенством координации и высокой эффективностью. Так, приблизительные подсчеты показали, что из 10 молекул мальтозы лишь одна или две возвращаются в полость тонкой кишки, тогда как 8 или 9 немедленно утилизируются благодаря совершенной системе взаимодействий фермента и транспортера в пределах пищеварительно-транспортного комплекса.

Пищеварительные процессы управляются очень точно. Интенсивность переваривания пищи, а также скорость ее перемещения вдоль желудочно-кишечного тракта контролируются нервными и гормональными механизмами. Кроме того, пищеварение как многоступенчатый процесс складывается из ряда операций.

Для понимания удивительной целесообразности естественных технологий, сформировавшихся в ходе эволюции, перейдем к характеристике питания.

Глава 3.

ЭКЗОТРОФИЯ. НОВАЯ ТЕОРИЯ АДЕКВАТНОГО ПИТАНИЯ

Питание — одна из центральных проблем, решение которой составляет предмет постоянных забот человечества. Эта проблема актуальна для большинства биологических наук. Однако первоначально наука о питании имела антропоцентрический подход и формировалась как теория и практика питания человека.

Как говорил И.П. Павлов в своей Нобелевской речи (1904), кусок хлеба насущного является, был и останется одной из самых важных проблем жизни, источником страданий, иногда удовлетворения, в руках врача — могучим средством лечения, в руках людей несведущих — причиной заболеваний. По-видимому, едва ли не самое большое заблуждение — убеждение в том, что вопрос правильного питания человека может быть решен путем создания- достаточного количества качественных пищевых продуктов. Обширный анализ свидетельствует, что свободный выбор таких продуктов в большинстве случаев приводит к нарушениям структуры питания, которые в зависимости от многих гено- и фенотипических характеристик провоцируют развитие тяжелых заболеваний (табл. 2). Различные формы патологии, вызванные неправильным питанием, распространены гораздо шире, чем сердечно-сосудистые заболевания и злокачественные опухоли, в происхождении которых дефекты питания также играют немаловажную роль. Не исключено, что в значительной мере заболевания, связанные с нарушениями питания, обусловлены неправильным вскармливанием детей на ранних стадиях онтогенетического развития.

Синдромы, связываемые преимущественно с нарушениями питания

Избыточное питание

углеводами, рафинированными крахмалом и сахарами

белками

Патогенез

Эпидемиологические и клинические данные

Клинические данные

Болезни, нарушения

Заболевания сердечно-сосудистой системы (инфаркт миокарда, гипертония, атеросклероз, варикозное расширение вен, тромбоз и др.)

Заболевания сердечно-сосудистой системы (гипертония, атеросклероз, тромбофлебит, эмболия, микроангиопатия и др.)

Хронический бронхит, эмфизема легких Заболевания желудочно-кишечного тракта (язвы, гастрит, энтерит, язвенный колит, геморрой) Аппендицит, холецистит, пиелонефрит, вызванные кишечной палочкой Холецистит Желчно-каменная болезнь Почечно-каменная болезнь

Диабет Гиперлипидемия Токсикоз беременности Эпилепсия, депрессия Рассеянный склероз Парадонтоз

Диабет Гиперхолестеринемия Токсикоз беременности

Профилактика

Уменьшение потребления легко усвояемых и рафинированных углеводов

Уменьшение потребления белков

Следует иметь в виду, что в области теории питания многое остается неизвестным. Именно поэтому представляется необходимым охарактеризовать современные достижения науки, важные для лучшего понимания этой проблемы.

В истории науки известны две теории питания. Первая возникла во времена античности, вторая — классическая, часто называемая теорией сбалансированного питания, появилась более 200 лет назад и сформировалась в конце XIX—первой половине XX в. Эта теория, доминирующая в настоящее время, пришла на смену античной и является одним из самых замечательных достижений экспериментальной биологии и медицины.

3.1. Античная и классическая теории питания

Античная теория питания связана с именами Аристотеля и Галена и является частью их представлений о живом. Согласно этой теории, питание организма происходит за счет крови, которая непрерывно образуется из пищевых веществ в результате сложного процесса неизвестной природы, в некотором отношении сходного с брожением. В печени происходит очистка этой крови, после чего она используется для питания органов и тканей. На этом основании строились многочисленные лечебные диеты, призванные обеспечить более легкое превращение пищи в кровь и лучшие свойства последней. Видное место занимало представление о нарушениях состава крови, а кровопускание считалось эффективным методом лечения.

С классической теорией сбалансированного питания связаны распространенные представления об идеальной пище и оптимальном сбалансированном питании. Эти представления опирались на балансные подходы к оценке и режиму питания, сохраняющие свое значение и в настоящее время. В упрощенном виде такие подходы сводились к тому, что в организм должны подаваться вещества такого молекулярного состава, который компенсирует их расход и потери, обусловленные основным обменом, внешней работой, а для молодых организмов еще и ростом, характерным этапом жизненного цикла.

Классическая теория может быть сведена к нескольким фундаментальным постулатам: 1) идеальным считается питание, при котором поступление пищевых веществ соответствует их расходу; 2) поступление пищевых веществ обеспечивается в результате разрушения пищевых структур и всасывания полезных веществ — нутриентов, необходимых для метаболизма, пластических и энергетических потребностей организма; 3) утилизация пищи осуществляется самим организмом; 4) пища состоит из нескольких компонентов, различных по физиологическому значению: нутриентов, балластных веществ (от которых она может быть очищена) и вредных, токсических, соединений; 5) метаболизм организма определяется уровнем аминокислот, моносахаридов, жирных кислот, витаминов и некоторых солей, следовательно, можно создать так называемые элементные (мономерные) диеты. (Особенно привлекательными такие диеты кажутся в качестве идеальной пищи будущего, когда благодаря химическим технологиям и вычислительной технике можно будет точно контролировать ее молекулярный состав и, более того, менять его в соответствии с возрастом организма, его функциональным состоянием, состоянием здоровья, типом работы, климатическими условиями и т.д.); 6) многие нутриенты, способные к всасыванию и ассимиляции, освобождаются в результате ферментативного гидролиза сложных органических продуктов за счет внеклеточного (полостного) и внутриклеточного пищеварения. При этом усвоение пищевых веществ происходит в два этапа: полостное пищеварение—всасывание.

Теория сбалансированного питания лежит в основе всех современных представлений о питании и служит базисом пищевых технологий. Она позволила дать научное обоснование потребностям в пище по энергетическим и пластическим компонентам, преодолеть многие нутритивные дефекты и болезни, связанные с недостатком витаминов, незаменимых аминокислот, микроэлементов и т.д. На ее основе созданы различные пищевые рационы для всех групп населения с учетом физических нагрузок, климатических и других условий жизни, обнаружены неизвестные ранее незаменимые аминокислоты, витамины, микроэлементы и т.д. На ней базируются все промышленные, агротехнические и медицинские мероприятия, которые сводятся к тому, что улучшение свойств пищевых продуктов может быть достигнуто за счет увеличения содержания нутриентов на фоне уменьшения доли балластных веществ. На этом построены технологии современной переработки продуктов животноводства и растениеводства, в том числе зерновых культур.

Вместе с тем следствием теории сбалансированного питания было несколько чрезвычайно серьезных ошибок. Первая из них — создание улучшенной пищи за счет обогащения пищевых продуктов веществами, непосредственно участвующими в обмене веществ, а также удаление балластных и вредных соединений. Поэтому современные хлеб, крупы, масло, сахар, соки и многие другие продукты питания рафинированы. Однако этот путь ведет к формированию многих, подчас тяжелых нарушений, которые могут быть охарактеризованы как болезни цивилизации.

Вторая ошибка — элементное (мономерное) питание. Идея сделать пищу максимально полезной уже в XIX в. трансформировалась в идею создать комплекс веществ, необходимых для поддержания жизни и не нуждающихся в переработке, корректировке состава и т.д. Предполагалось перейти к промышленному изготовлению идеальной пищи, состоящей из оптимальных смесей всасываемых элементов, преимущественно мономеров. Третья ошибка — прямое (парентеральное) питание. Существует представление, сформулированное в 1908 г. великим французским химиком П.-Э.-М. Бертло, что одна из главных задач будущего — прямое введение в кровь нутриентов, минуя желудочно-кишечный тракт.

И наконец, ошибки в режиме питания. Рекомендации теории сбалансированного питания сводились к тому, чтобы режим питания обеспечивал поступление сбалансированных пищевых веществ через различные промежутки времени, не допускающие их больших потерь. Режим питания — та область теории сбалансированного питания, в которой были сделаны наименьшие ошибки, но принесена и наименьшая польза.

Таким образом, классическая теория стимулировала развитие важных теоретических и практических построений. Она постулировала не только идеи, касающиеся оптимизации питания и создания в конечном итоге идеальной пищи, но и легла в основу разработок идеального питания и его режима. Однако экспериментальная проверка ряда ее положений с учетом мембранного пищеварения и новых достижений науки привела к пересмотру основных постулатов. Действительно, балансный подход и вытекающая из него идея рафинированной (безбалластной) пищи, по-видимому, принесли существенный вред. Так, уменьшение доли овощей и фруктов в рационе, использование очищенных злаковых культур, рафинированных продуктов и т.д. способствовало развитию многих заболеваний, в том числе желудочно-кишечного тракта, печени, желчных путей, нарушений обмена, возникновению ожирения и т.д. Был сделан также ряд ошибочных заключений о путях оптимизации питания. Следовательно, во время наибольших успехов классической теории зарождался и усиливался ее кризис, который привел к появлению новой теории питания.

В настоящее время формируется теория питания, названная мною теорией адекватного питания, которая включает в себя классическую, как важную составную часть. Для того чтобы понять различия между этими двумя теориями и почему классическая становится важной частью более общей теории адекватного питания, необходимо охарактеризовать и сопоставить их основные положения, теоретические следствия и практические рекомендации.

3.2. Теория адекватного питания

Кризис теории сбалансированного питания и открытие некоторые важных, ранее неизвестных механизмов (лизосомного и мембранного типов пищеварения, различных типов транспорта, общих эффектов кишечной гормональной системы); результаты сопоставления ряда характеристик безмикробных животных и животных, в организм которых вводились контролируемые бактериальные культуры; данные прямых исследований влияния элементных диет на организм и т.д. привели к пересмотру ее основных положений. Такая ревизия позволила сформулировать новую теорию адекватного питания (этот процесс еще далеко не завершен), в основу которой легли новые постулаты основополагающего значения: 1) питание поддерживает молекулярный состав и возмещает энергетические и пластические расходы организма на основной обмен, внешнюю работу и рост (этот постулат является общим для классической и новой теорий питания); 2) необходимыми компонентами пищи служат не только нутриенты, но и балластные вещества; 3) нормальное питание обусловлено не одним потоком нутриентов из желудочно-кишечного тракта, а несколькими потоками нутритивных и регуляторных веществ, имеющих жизненно важное значение; 4) в метаболическом и особенно трофическом отношениях ассимилирующий организм рассматривается как надорганизм; 5) существует эндоэкология организма-хозяина, образуемая микрофлорой его кишечника; 6) баланс пищевых веществ достигается в результате освобождения нутриентов из структур пищи при ферментативном расщеплении ее макромолекул за счет полостного и мембранного пищеварения (в ряде случаев внутриклеточного), а также вследствие синтеза новых веществ, в том числе незаменимых. Относительная роль готовых первичных и вторичных нутриентов варьирует в широких пределах. Все перечисленные постулаты теории адекватного питания взаимосвязаны и образуют совокупность новых представлений, подходов, исследований и технических приемов.

Перейдем к последовательному описанию основных положений теории адекватного питания и их сопоставлению с представлениями классической теории сбалансированного питания. Прежде всего рассмотрим основные потоки, поступающие из пищеварительного тракта во внутреннюю среду организма, с позиций этих двух теорий.

3.2.1. Основные потоки

В соответствии с обеими теориями, из желудочно-кишечного тракта во внутреннюю среду организма направлен поток нутриентов. Однако согласно теории сбалансированного питания, для поддержания жизнедеятельности организма необходим лишь этот поток (рис. 14), тогда как с позиций теории адекватного питания помимо основного потока нутриентов из пищеварительного аппарата во внутреннюю среду поступает по крайней мере еще 5 потоков, важность которых теорией сбалансированного питания недооценивалась: поток гормонов и других физиологически активных факторов; три потока бактериальных метаболитов; поток веществ, поступающих с загрязненной пищей (рис. 15).

Рис. 14. Схема потоков веществ из желудочно-кишечного тракта по внутреннюю среду организма в соответствии с теорией сбалансированного питания.

Пищевые продукты при пищеварении разделены на всасываемые вещества (нутриенты) и балласт.

Рис. 15. Схема потоков веществ из желудочно-кишечного тракта во внутреннюю среду организма в соответствии с теорией адекватного питания. В дополнение к потокам, указанным на рис. 14, при обработке балластных веществ формируются вторичные нутриенты, токсины, экзогормоны; пища стимулирует выделение кишечных гормонов.

Поток нутриентов. Обязательное условие ассимиляции пищи — разборка ее сложных структур до простых соединений, которая происходит в процессе пище

варения. При этом освобождаются мономеры (аминокислоты, моносахариды, жирные кислоты и т.д.), лишенные видовой специфичности и преимущественно одинаковые для всех живых организмов. В некоторых случаях могут образовываться олигомеры (ди-, три- и изредка тетрамеры), которые также могут быть ассимилированы. У низших организмов, в частности у бактерий, транспорт нерасщепленных олигомеров широко распространен. У высших организмов такой транспорт

продемонстрирован на примере дипептидов. В соответствии с теорией сбалансированного питания усвоение пищевых веществ реализуется в два этапа: полостное пищеварение—всасывание. Внутриклеточное пищеварение играет значительную роль, тогда как в рамках теории адекватного питания усвоение пищи происходит в три этапа: полостное пищеварение—мембранное пищеварение—всасывание (с определенным компонентом внутриклеточного гидролиза).

Поток гормонов и других физиологически активных веществ. Существование этого потока из желудочно-кишечного тракта во внутреннюю среду организма не укладывается в схему теории сбалансированного питания и значительно меняет наши представления о механизмах ассимиляции пищи. В сущности, поток физиологически активных факторов состоит из двух потоков — эндогенного и экзогенного. Эндогенный поток содержит гормоны и -другие физиологически активные вещества, продуцируемые эндокринными клетками желудочно-кишечного тракта. Эти клетки секретируют около 30 гормонов и гормоноподобных субстанций, контролирующих не только функции пищеварительного аппарата, но и важнейшие эндокринные и метаболические функции организма в целом. В частности, в конце 50-х—начале 60-х гг. нами показано, что частичная или полная резекция двенадцатиперстной кишки приводит к развитию тяжелого заболевания, названного «синдром дуоденальной недостаточности». При этом заболевании преобладают общие, а не местные нарушения функций организма, а также наблюдаются выраженные структурные изменения щитовидной железы, коры надпочечников, гипоталамо-гипофизарной нейросекреторной системы и др. После такой операции, приводящей к частичному или полному выключению функций двенадцатиперстной кишки (скорее всего ее эндокринной системы), происходит также нарушение специфического динамического действия пищи — цикла реакций, необходимых для нормального усвоения пищи. Наконец, после дуоденэктомии нарушается система реакций, обеспечивающих защиту организма от связанных с питанием иммунологических агрессий, что приводит к возникновению аллергий на пищевые продукты.

Благодаря эндокринной системе желудочно-кишечного тракта реализуется связь: 1) между поступлением пищи и системами, контролирующими ее ассимиляций; 2) между системами, реализующими поглощение пищи и ее переработку; 3) между системами, обеспечивающими переработку пищи в желудочно-кишечном тракте, и системами, предохраняющими организм от поступления в его внутреннюю среду чужеродных антигенов.

Недавно показано, что эндокринные клетки желудочно-кишечного гранта продуцируют тиреотропный гормон и АКТГ — гормоны, типичные для гипоталамуса и гипофиза, а клетки гипофиза — гастрин. Таким образом, по некоторым гормональным эффектам гипоталамо-гипофизарная и желудочно-кишечная системы оказались родственными, что не могла учитывать теория сбалансированного питания. Существуют данные, что клетки желудочно-кишечного тракта секретируют некоторые стероидные гормоны. Роль пищеварительного аппарата как эндокринного органа еще более проясняется в связи с открытием эндогенных морфинов (эндорфинов и энкефалинов), обладающих морфиноподобным действием. Оказалось, что такие эндогенные опиаты вырабатываются но только клетками мозга, но и клетками пищеварительной системы.

Экзогенный поток физиологически активных факторов состоит преимущественно из специфических веществ, образуемых при гидролизе пищи. Так, при расщеплении пепсином белков молока и пшеницы образуются морфиноподобные вещества, получившие название экзорфинов, т.е. натуральных морфиноподобных соединений, появляющихся при естественном переваривании пищевых продуктов. Не исключено, что образующиеся при гидролизе белков пептиды могут в некоторых количествах проникать в кровь и принимать участие в модуляции общего гормонального фона организма. Можно допустить также, что некоторые пептиды, в том числе образующиеся при нормальном пищеварении определенных компонентов пищи, выполняют регуляторные функции. К таким пептидам несомненно принадлежит казморфин. По-видимому, поток экзогенных веществ очень важен.

Таким образом, питание не просто акт приема пищи и обогащение организма нутриентами. Одновременно существует сложнейший поток гормональных факторов, участие которых в регуляции ассимиляции пищи крайне существенно, а может быть, и жизненно необходимо.

Потоки бактериальных метаболитов. При участии бактериальной флоры кишечника формируются три потока. Один из них — поток нутриентов, модифицированных микрофлорой (например, амины, возникающие при декарбоксилировании аминокислот), другой — поток продуктов жизнедеятельности бактерий и третий — поток модифицированных бактериальной флорой балластных веществ, в который входят вторичные нутриенты. В этих потоках имеются полезные вещества (витамины, незаменимые аминокислоты и др.), вещества, которые при сегодняшнем уровне знаний считаются индифферентными, и токсические соединения. Именно наличие токсических соединений породило еще сравнительно недавно популярную идею целесообразности подавления кишечной микрофлоры. Однако, возможно, токсические вещества, если их количество не переходит определенных границ, физиологичны.

Некоторые токсические вещества, например токсические амины, образующиеся в пищеварительном аппарате под влиянием бактериальной флоры, заметно влияют на состояние организма (табл. 3). Высокой физиологической активностью обладают такие амины, как кадаверин, октопамин, тирамин, пиперидин, диметиламин, гистамин и др. При различных заболеваниях, в частности дисбактериозах, уровень аминов может возрастать и быть причиной нарушений ряда функций организма. Продукция аминов может быть подавлена антибиотиками.

Уровень аминов преимущественно бактериального происхождения в моче

Амины

Количество, секретируемое в сутки (мг)

Источник

Физиологический эффект

Диметиламин

20

Холин Лецитин Метиламин

Пиперидин

0.8

Лизин

Церебральная депрессия Гипертензия

Пирролидин

0.4

Аргинин

Церебральная депрессия

Орнитин

Гипертензия

Тирамин

Тирозин

Гипертензия

Октопамин

Тирозин

Гистамин

Желудочная секреция Вазодилятация Лейкотакеис

По-видимому, в ходе эволюции некоторые токсические амины включились в регуляторные системы организма. В качестве примера можно привести гистамин. Как известно, гистамин продуцируется преимущественно клетками желудка, морфологически сходными с тучными, и контролирует ряд функций гипоталамо-гипофизарной системы, секрецию соляной кислоты и способствует образованию язв желудка. Кроме эндогенного гистамина существует экзогенный, образующийся преимущественно в кишечнике в результате бактериальной активности. Многие патологические изменения в организме провоцируются не за счет гиперфункции клеток желудка, вырабатывающих гистамин, а благодаря его избыточному образованию в кишечнике бактериальной флорой. Поэтому применение антибиотиков ведет к ряду сдвигов гормонального статуса организма.

Что касается вторичных нутриентов, образующихся из балластных веществ за счет преимущественно бактериального метаболизма, то в них входят значительные количества витаминов, незаменимых аминокислот, углеводов, жиров и т.д. Физиологическая важность вторичных нутриентов доказывается тем, что безмикробные животные, у которых нарушена способность перерабатывать балластные вещества, чрезвычайно чувствительны к колебаниям состава пищи, тогда как обычные весьма устойчивы к ним. О физиологической важности вторичных нутриентов свидетельствует резкое повышение потребности в витаминах у человека и животных, у которых бактериальная флора подавлена антибиотиками.

Кроме перечисленных потоков существует поток веществ, поступающих с загрязненной в результате различных промышленных технологий пищей или из загрязненной среды.

3.2.2. Балластные вещества, или пищевые волокна

Идея относительно улучшения пищи путем удаления балластных веществ основана на теории сбалансированного питания. Однако в действительности так называемое улучшенное, или рафинированное, питание послужило причиной многих распространенных заболеваний (табл. 2). В ходе эволюции питание сформировалось как некая естественная технология, в которой используются не только утилизируемые, по и неутилизируемые компоненты пищи. Особенно это касается таких неутилизируемых балластных веществ, как пищевые волокна. К последним относятся полисахариды — целлюлоза, гемицеллюлоза, пектин, лигнин и др., присутствующие в овощах, фруктах, злаках и ряде других продуктов. Пищевые волокна играют роль в нормализации деятельности желудочно-кишечного тракта, влияют на его моторную активность, скорость всасывания пищевых веществ в тонкой кишке, давление в полости органов пищеварительного аппарата, электролитный обмен в организме, массу и электролитный состав фекалиев и т.д. Наконец, пищевые волокна влияют на среду обитания бактерий в кишечнике и являются для них одним из важных источников питания.

Пищевые волокна необходимы не только для работы пищеварительного. аппарата, но и всего организма. Например, показана связь между нарушениями холестеринового обмена, образованием камней в желчном пузыре и широким распространением в развитых странах рафинированных рационов. Ошибки в структуре питания, и в частности потребление рафинированных продуктов, стали одной из причин развития многих тяжелых заболеваний у человека. Ряд нарушений, в том числе атеросклероз, гипертония, диабет, во многих случаях результат не только чрезмерного потребления белков и углеводов, но и следствие недостаточного использования балластных веществ.

Существуют сведения, что отсутствие пищевых волокон в диете может провоцировать рак толстой кишки. При отсутствии пищевых волокон нарушается не только обмен желчных кислот, но также холестерина и стероидных гормонов.

Многие формы патологии желудочно-кишечного тракта и обмена веществ поддаются профилактике и лечению благодаря пищевым волокнам, введенным в рацион. Так, эти волокна могут повышать толерантность к глюкозе и модифицировать ее всасывание, что может быть использовано для предупреждения и лечения диабета, гипергликемии и ожирения. Увеличение количества пищевых волокон в рационе снижает уровень холестерина в крови, что связано с участием волокон в кругообороте желчных кислот. Показан также антитоксический эффект растительных волокон.

Итак, на основе теории сбалансированного питания были сделаны попытки создать улучшенную и обогащенную пищу за счет удаления балластных веществ, что привело в ряде стран к развитию многих заболеваний — болезней цивилизации. В настоящее время интенсивно разрабатывается противоположное направление — ведутся поиски и создается адекватная пища, соответствующая потребностям организма, возникшим в ходе эволюции.

3.2.3. Эндоэкология

Согласно теории сбалансированного питания, заселение бактериальной флорой пищеварительного тракта высших организмов — нежелательный и в определенной мере вредный побочный эффект. Однако бактериальная флора кишечника не только не вредна, но необходима для нормального развития физиологических функций организма. Ее подавление часто приводит к сдвигу метаболического баланса организма. Высший организм реально существует как надорганизм, состоящий из доминирующего многоклеточного организма и специфической бактериальной поликультуры. Между ними существует обмен метаболитами, в состав которых входят нутриенты, различные неорганические компоненты, стимуляторы, ингибиторы, гормоны и другие физиологически активные соединения. Вероятно, такая форма сосуществования макро- и микроорганизмов — древнее эволюционпое приобретение. Оказалось, что безмикробные животные в метаболическом, иммунологическом и нейрологическом отношениях резко отличаются от обычных и должны быть охарактеризованы как неполноценные. Бактериальная флора служит своеобразным трофическим гомеостатом, или трофостатом, обеспечивающим разрушение некоторых избыточных компонентов пищи и образование недостающих продуктов.

Деятельность бактериальной флоры кишечника может быть нарушена при ряде специфических и неспецифических воздействий (рис. 16), в том числе при изменении диеты, при заболеваниях пищеварительного аппарата, при некоторых терапевтических мероприятиях (особенно при использовании антибиотиков), при воздействии различных экстремальных факторов (например, при стрессах, в том числе эмоциональных, при специальных условиях и т.д.). Дисбактериозы, возникающие по разным причинам, в частности вследствие применения антибиотиков, провоцируют многие вторичные нарушения.

Рис. 16. Схема соотношения первичных нутриентов и бактериальных метаболитов при физиологических (А) и патологических (Б) состояниях организма (дефекты переваривания и всасывания).

Формирование представлений о бактериальной флоре, шире говоря — об эндоэкологии, т.е. внутренней экологии человека и других Многоклеточных организмов, имеет фундаментальное значение. Кишечная флора — необходимый атрибут существования сложных организмов, а ее сохранение и предупреждение загрязнения — одна из важных проблем биологии и медицины.

3.2.4. Элементные диеты и две теории питания

Идея элементного (мономерного) питания, возникшая в конце XIX—начале XX в. и вытекающая из теории сбалансированного питания, сводилась к тому, что потребляемую нами пищу следует заменить легкоусвояемыми мономерами, имитирующими смесь всасываемых продуктов питания — белков, углеводов, жиров и др. Предполагалось, что такая пища позволит удовлетворять потребности человека в точном соответствии с особенностями его обмена. Более того, предполагалось, что человеку в зависимости от возраста, функционального состояния организма, вида деятельности можно вводить различные аминокислоты и другие компоненты рациона, а в случае заболеваний — компенсировать их недостаток. В 60—70-х гг. было предложено несколько элементных диет (табл. 4). Появилась надежда, что они окажутся основными при космических полетах.

Основной состав элементной диеты, предложенной американским исследователем М. Уинитцем и сотрудниками в 1970 г.

Аминокислоты, г

L-Лизин • HCl

3.58

Натрия L-acпapтат

6.40

L-Лейцин

3.83

L-Треонин

2.42

L-Изолейцин

2.42

L-Пролин

10.33

L-Валин

2.67

Глицин

1.67

L-Фенилалаиин

1.75

L-Серин

5.33

L-Аргинин • НСl

2.58

L-Тирозинэтиловый эфир

6.83

L-Гистидин • HСl • Н_2O

1.58

L-Триптофан

0.75

L-Метионин

1.75

L-Глутамин

9.07

L-Аланин

2.58

L-Цистеинэтиловый эфир

0.92

Водорастворимые витамины, мг

Тиамин • НCl (В_1)

1.00

Биотин

0.83

Рибофлавин (В_2)

1.50

Фолиевая кислота

1.67

Пиридоксин • НCl (В_6)

1.67

Аскорбиновая кислота (С)

62.50

Никотинамид

10.00

Цианокобаламин (B_12)

0.00167

Инозит

0.83

π-Аминобензойная кислота

416.56

Пантотенат кальция (РР)

8.33

Битартрат холина

231.25

Соли, мг

Калия йодид

0.25

Калия гидроксид

3970

Марганца ацетат • 4Н_2O

18.30

Магния оксид

380

Цинка бензоат

2.82

Натрия хлорид

4770

Меди ацетат • Н_2O

2.50

Железа глюконаг

830

Кобальтацетат • 4Н_2O

1.67

Кальция хлорид • 2Н_2O

2440

Натрия глицерофосфат

5230

Натрия бензоат

1000

Аммония молибдат

0.42

Углеводы, г

Глюкоза

555.0

Глюконо-5-лактон

17.2

Жиры и жирорастворимые витамины, мг

Этил линолеат

2000

а-Токоферол ацетат

57.29

Витамина А ацетат

3.64

Менадион

4.58

Витамин Д

0.057

Однако с позиций теории адекватного питания элементные диеты дефектны прежде всего потому, что нарушают свойства и соотношения нутритивного, трофического и токсического потоков вследствие выпадения защитных функций мембранного пищеварения и изменения эндоэкологии. У моногастричных организмов (в том числе у человека) питание бактерий построено на использовании преимущественно неутилизируемых или медленно утилизируемых макроорганизмом компонентов пищи. Мембранное пищеварение, реализуемое ферментами, локализованными в недоступной бактериям щеточной кайме, предотвращает поглощение ими нутриентов и обеспечивает стерильность процесса. Сравнение величины бактерий, населяющих тонкую кишку, с порами между микроворсинками и размерами сети гликокаликса (см. гл. 5) показывает, что щеточная кайма представляет собой специфический бактериальный фильтр, с помощью которого заключительные этапы гидролиза пищевых веществ отделяются от заселенной бактериями полости тонкой кишки. Стерильность мембранного пищеварения можно рассматривать как приспособление макроорганизма к сосуществованию с кишечной бактериальной флорой и как фактор, обеспечивающий преимущественное поглощение нутриентов макроорганизмом. Если же пища вводится в организм в виде мономеров, то мембранное пищеварение как защитный механизм не функционирует. В этом случае бактерии оказываются в чрезвычайно благоприятных условиях для их размножения в результате избытка легкоусвояемых элементов в полости тонкой кишки. Это приводит: 1) к нарушению эндоэкологии макроорганизма; 2) к увеличению потока токсических веществ; 3) к потере макроорганизмом ряда веществ, в том числе необходимых. При мономерном питании нами, а затем многими другими исследователями зарегистрированы дисбактериозы и дополнительное дезаминирование аминокислот.

Далее, из-за высокой осмотической активности элементных диет нарушается распределение жидкости между кровью и кишечной средой в результате ее перехода из крови в кишечник. Наконец, элементные диеты приводят к резкому снижению функциональной нагрузки на ферментные системы желудочно-кишечного тракта, что сопровождается нарушением синтеза ряда необходимых ферментов.

Однако при некоторых формах заболеваний и в определенных условиях элементные и безбалластные диеты могут быть весьма полезными. В частности, при врожденпых и приобретенных дефектах ферментных систем тонкой кишки наиболее целесообразно исключить из пищи те молекулы (например, лактозу, сахарозу и др.), гидролиз которых нарушен. Элементные диеты могут быть использованы при различных экстремальных воздействиях, вызывающих нарушения деятельности желудочно-кишечного тракта. Как правило, для стресса характерен отрицательный азотистый баланс за счет стрессорного глюконеогенеза. Мы получили результаты, расширяющие классические представления о происхождении отрицательного азотистого баланса. Нами обнаружено, что при стрессе наблюдается торможение включения ряда пищеварительных ферментов, реализующих мембранное пищеварение углеводов и особенно белков, в состав апикальной мембраны кишечных клеток. Таким образом, при стрессе отрицательный азотистый баланс обусловлен не только разрушением, но и недостаточным поступлением аминокислот во внутреннюю среду организма. Следовательно, при различных видах стресса существует эффективный путь коррекции белкового обмена за счет введения в рацион вместо белков, которые не усваиваются, имитирующих эти белки аминокислотных смесей. Использование последних целесообразно также при аварийных ситуациях, при хирургических вмешательствах (в пред- и послеоперационный периоды), при травмах, в условиях недостатка белков и т.д.

3.2.5 Прямое (парентеральное) питание

По представлениям П.-Э.-М. Бертло, парентеральное питание человека должно быть весьма перспективным. По мнению сторонников этой идеи, парентеральное питание приведет к постепенной атрофии желудочно-кишечного тракта и будет стимулировать формирование более совершенного человека. Однако принимая во внимание эндоэкологию кишечника, эта идея представляется крайне уязвимой. Действительно, из-за отсутствия нутриентов нарушается бактериальная флора кишечника со всеми вытекающими отсюда отрицательными последствиями. Существуют и другие причины, из-за которых рассматривать парентеральное питание как физиологическое невозможно. Прямое введение в кровь глюкозы в количествах, удовлетворяющих пищевые потребности организма, вызывает резкое нарушение гомеостаза и перенапряжение инсулярного аппарата, что служит причиной многих форм патологии. Например, в результате перенапряжения инсулярного аппарата создаются благоприятные условия для развития диабета. Наконец, желудочно-кишечный тракт выполняет важную функцию не только трансформации пищевых веществ в усвояемые организмом формы, но и депонирования пищи. Введение нутриентов в кровь должно приводить к нарушению функций депонирующих систем и механизмов (нервных и гормональных), их контролирующих.

Вместе с тем при так называемой экстренной терапии и экстренной хирургии, а также при различных формах патологии производится капельное введение глюкозы в вену больному. Однако если глюкозу заменить мальтозой (дисахаридом, состоящим из двух молекул глюкозы), которая расщепляется ферментами, связанными с мембраной клеток печени, почек, капилляров и т.д., то образующаяся глюкоза будет хорошо утилизироваться, по-видимому, в тех участках, где она освобождается при гидролизе мальтозы. В результате этого будет достигаться снабжение организма глюкозой без перенапряжения инсулярного аппарата, без изменения ее уровня в крови и тяжелого дисбаланса. Кроме того, будет происходить уменьшение осмотической нагрузки в два раза. Таким образом, открываются новые возможности для внутривенного питания.

3.2.6 Защитные системы желудочно-кишечного тракта

Теория адекватного питания придает большое значение системам защиты организма от проникновения различных вредных веществ. Поступление пищи в желудочно-кишечный тракт следует рассматривать не только как способ восполнения энергетических и пластических материалов, но и как аллергическую и токсическую агрессию. Лишь благодаря сложной системе защиты негативные стороны питания эффективно нейтрализуются.

Существует несколько механизмов, предупреждающих поступление токсических веществ и антигенов из кишечной среды во внутреннюю, два из них — трансформационные. Один из таких трансформационных механизмов связан с гликокаликсом, который непроницаем для многих крупных молекул. Исключением служат молекулы, подвергающиеся гидролизу ферментами (панкреатические амилаза, липаза, протеазы), адсорбированными в структурах гликокаликса. В связи с этим контакт вызывающих аллергическую и токсическую реакции нерасщепленных молекул с клеточной мембраной затруднен, а молекулы, подвергающиеся гидролизу, утрачивают антигенные и токсические свойства. Другой трансформационный механизм обусловлен ферментными системами, локализованными на апикальной мембране кишечных клеток и осуществляющими расщепление олигомеров до мономеров, способных к всасыванию. Таким образом, ферментные системы гликокаликса и липопротеиновой мембраны служат барьером, предупреждающим поступление и контакт крупных молекул с плазматической мембраной. Существенную роль могут играть внутриклеточные дипептидазы, рассмотренные нами как дополнительный барьер и как механизм защиты от физиологически активных соединений.

В кишечнике имеется также иммунная система, представленная пейеровыми бляшками тонкой кишки (около 200—300 у взрослого человека) и лимфоидной системой червеобразного отростка толстой кишки. Для понимания механизмов защиты важно, что в кишечной слизистой содержится более 400 000 плазматических клеток в расчете па 1 мм^3 слизистой и около 1 млн. лимфоцитов в расчете на 1 см^2 слизистой. В норме в тощей кишке человека содержится от 6 до 40 лимфоцитов на 100 эпителиальных клеток. Это означает, что кроме эпителиального слоя, разделяющего кишечную и внутреннюю среды организма, существует еще мощный лейкоцитарный слой.

Следовательно, хотя слизистая пищеварительного тракта потенциально является областью, через которую возможно проникновение антигенных и токсических субстанций во внутреннюю среду организма, здесь же действует эффективная дублированная система защиты, включающая в себя как пассивные (механические), так и активные защитные факторы. При этом в кишечнике взаимодействуют системы, продуцирующие антитела, и системы клеточного иммунитета. Нужно добавить, что защитные функции печеночного барьера, реализующего с помощью купферовых клеток поглощение токсических веществ, дополняются системой антитоксических реакций в эпителии тонкой кишки. Таким образом, способностью к обезвреживанию токсинов, поступающих из желудочно-кишечного тракта, обладают по меньшей мере две системы, одна из которых локализована в печени, а другая в кишечнике.

3.2.7. Идеальная пища и идеальное питание

Эта проблема — следствие теории сбалансированного питания. Идеальной считается такая пища, которая наиболее точно возмещает потери веществ и энергии по составу и временной динамике. Идеальное питание определяется этой же целью.

С позиций теории адекватного питания идеальное питание с трудом поддается теоретическому определению, так как эффекты пищи и режимы питания разнообразны. Одни виды пищи улучшают общее самочувствие, другие повышают работоспособность, третьи позволяют скорее приспособиться к климатическим или к необычным условиям, изменять эволюционно сформированные или другие реакции. Каждый положительный эффект может сопровождаться некоторыми отрицательными эффектами. Более того, так называемая идеальная пища, обеспечивающая равновесие притока и расхода пищевых веществ, в большинстве случаев не адекватна для человека и животных, так как приводит к бездействию депо и, следовательно, способствует своеобразной метаболической гиподинамии. Действительно, уже в конце 50-х гг. нам удалось показать, что переход от одного типа полноценной пищи к другому помимо адаптивных реакций вызывает увеличение активности ферментных систем пищеварительного тракта и повышение уровня некоторых ферментов крови.

Сходные явления мы наблюдали впоследствии при различных воздействиях на организм. Эти данные позволили предположить, что «метаболический комфорт» в результате «идеального питания» не является эволюционно подготовленной основой для оптимальной работы метаболических систем. Равенство расхода и поступления веществ в организм — правило, справедливое лишь для достаточно длительных интервалов времени.

В пределах более коротких временных интервалов значительные расхождения между этими показателями не только физиологичны, но и необходимы для поддержания достаточно высокого уровня функциональной активности.

Рациональное питание определяется компромиссом между более или менее ограниченными (по количеству и качеству) пищевыми ресурсами и наиболее эффективным питанием. Практически питание человека и животных в естественных условиях обусловлено оптимальными нормами и реальными возможностями. Чаще всего в основе компромисса лежит недостаток ряда пищевых продуктов или их высокая стоимость. В первую очередь это касается белка, потребность в котором может быть удовлетворена потреблением мяса и рыбы, а во многих случаях — молочных продуктов. К сожалению, во многих странах, в том числе и в нашей, молочные продукты используются недостаточно. Белковый рацион может быть оптимизирован также сочетанием белковой пищи с другими пищевыми продуктами, сберегающими расход белка, а также обогащающими его. Например, белок хлеба легко обогащается благодаря использованию цельнозернового хлеба, а не хлеба, выпеченного из муки высокого помола. Однако применение очищенной муки — повсеместно распространенный отрицательный эффект научно-технического прогресса прошлого и нынешнего веков и одно из негативных следствий теории сбалансированного питания. Тем не менее возможны оптимальные сочетания пищевых продуктов применительно к конкретным условиям питания и дальнейшие поиски в этом направлении.

3.2.9. Питание в неидеальных условиях

Многие полезные пищевые продукты содержат токсические компоненты, которые в ряде случаев могут быть разрушены тепловой обработкой пищи. Однако определенный уровень токсических веществ — постоянный и физиологический спутник жизни. Большинство этих веществ нейтрализуется защитными системами желудочно-кишечного тракта. В последнее время в связи с интенсификацией сельского хозяйства и урбанизацией населения количество непищевых добавок, подавляющее большинство которых не полностью индифферентно для организма, прогрессивно возрастает во всем мире. Применение регуляторов природной среды, дефолиантов, инсектицидов, пестицидов, гербицидов и др. приводит к тому, что эти вещества поступают в значительную часть пищевых продуктов. Хотя действие таких веществ направлено первоначально против растений, насекомых, грибов и других вредителей, в силу универсальности функциональных блоков (см. гл. 5 и 6) существует потенциальная опасность их воздействия на организм человека и высших животных. (В некоторых случаях такой отрицательный эффект доказан). Точно так же не индифферентны добавки, обеспечивающие консервацию пищевых веществ. Кроме того, пищевые продукты загрязняются промышленными отходами, среди которых могут оказаться весьма токсичные. Этой крайне актуальной проблеме уделяется большое внимание.

В связи с вышеизложенным возникают следующие вопросы: как в условиях загрязненной пищи оптимизировать питание, что лучше — адаптация к одному загрязнителю или чередование различных загрязнителей? Быть может, следует периодически менять консерванты или источники продуктов питания, использовать антидоты, которые можно вводить либо в соответствующие загрязненные продукты, либо применять одновременно с пищевыми продуктами? Найти ответы на такие вопросы особенно важно в связи с тем, что питание в неидеальных условиях приобретает все большие масштабы.

3.2.10. Оптимизация питания и концепция физиологической культуры

Оптимальное питание — проблема, еще нуждающаяся в решении. Она представляется особенно важной, так как дефекты питания в глобальных масштабах характерны и для настоящего времени. С дефектами питания люди сталкиваются также в различных аварийных и экстремальных ситуациях и, наконец, будут сталкиваться при создании искусственных биосфер и трофосфер в связи с исследованием космоса и другими задачами. Поэтому необходимо понять, каким образом при значительных дефектах питания добиться наиболее благоприятных результатов.

Возьмем Крайний случай, связанный с отсутствием продуктов питания. Долгое время считалось, что в таких условиях лучше полное голодание, чем поедание непитательных структур (в частности, листьев растений). В рамках теории сбалансированного питания это объяснялось тем, что при питании листьями происходит значительная работа пищеварительного аппарата и дополнительный расход энергии, а также размножение бактериальной флоры. Однако с позиций теории адекватного питания нормальная деятельность желудочно-кишечного тракта необходима для поддержания основного обмена, для функционирования его эндокринного аппарата, для поддержания эндоэкологии кишечника. Сохранение эндоэкологии благодаря пищевым волокнам кажется более благоприятным для организма, чем абсолютное голодание. Такая точка зрения подтверждается известными примерами о поведении людей во время голода, добавляющих в пищу траву, древесные опилки, листья и т.д. Иной смысл приобретает и оценка поведения некоторых хищных животных, во время голода питающихся листьями, травой, ягодами и другими растительными продуктами. Понятными становятся также различия между полным голоданием и голоданием в сочетании с потреблением продуктов с незначительной пищевой ценностью, но которые существенно влияют на состояние эндоэкологии организма. Приведенный пример использования пищевых волокон лишь один из многочисленных примеров оптимизации питания в неблагоприятных условиях.

Использование нерафинированных пищевых продуктов (например, цельнозернового хлеба, неполированного риса и т.д.) при оптимизации питания в условиях нехватки пищевых ресурсов приобретает особенно большое значение. По-видимому, нерафинированные продукты и в большинстве других случаев имеют преимущества перед рафинированными.

Следует подчеркнуть, что оптимизация питания была важной и полезной частью национальных, племенных и религиозных традиций. Однако в научной литературе часто обращается внимание лишь на недостатки этих традиций, многие из которых теперь утрачены. В то же время такая утрата создает вакуум, который нередко заполняется неправильными и неорганизованными действиями. Последние опираются на многочисленные модные концепции питания, не имеющие теоретической базы и не подкрепленные практикой.

Оптимизация питания связана с решением нескольких проблем. Прежде всего должны быть получены такие соединения, которые выполняли бы основные регуляторные функции во внешней среде, но не попадали бы в пищевые продукты. Далее, следует использовать соединения с такой степенью избирательности, при которой эти вещества и их метаболиты были бы индифферентны для человека. Важно также разработать пищевые технологии, в том числе кулинарные, при которых в процессе приготовления пищи токсические вещества разрушались бы или превращались в безвредные. Наконец, должна существовать информация о наличии в продуктах токсических соединений и о возможности чередования этих продуктов во избежание кумулятивных эффектов, неблагоприятных взаимодействий и т.д.

Понятие адекватности позволяет оптимизировать питание в соответствии с возрастом и характером труда. Но и в этом случае пища не будет идеальной. Кроме того, идеальная пища биологически не адекватна, так как не создает физиологической нагрузки на различные системы организма, в том числе на депо, ферментные системы желудочно-кишечного тракта и т.д.

Огромные перспективы для оптимизации питания открывает улучшение аминокислотного состава пищи путем введения в нее пептидов. Нами показано, что по эффективности пептидные гидролизаты не уступают аминокислотным смесям и белкам. Они могут быть рекомендованы для питания ослабленных организмов при краткосрочных диетах, при больших физических и эмоциональных нагрузках и пр. Оптимизация питания также необходима в связи с проблемой пищи будущего.

До последнего времени культура человеческого тела рассматривалась преимущественно как физическая. Однако она значительно сложнее и шире и включает в себя многие стороны, которые могут быть объединены понятием биологической культуры. В это понятие должны войти представления о физической, генетической, экологической и физиологической культурах, причем последняя должна включать в себя биохимическую, климатическую, культуру питания и другие.

Итак, частью физиологической культуры является культура питания, или нутритивная культура. Это справедливо, так как без представлений о нутритивной культуре крайне трудно решать ряд проблем, и в том числе проблему победы над голодом и многими заболеваниями нашего века (атеросклероз, сердечно-сосудистые заболевания, некоторые типы злокачественных новообразований, нарушения деятельности желудочно-кишечного тракта и многие другие), а также проблему борьбы с одряхлением организма. Ясно также, что физиологическая культура может быть построена лишь на основе достаточно глубокой теории, которая должна служить основой не только правильного потребления пищевых продуктов, но и базой для их производства и переработки.

В свете представлений о физиологической культуре следует рассматривать ряд проблем, в том числе и регуляцию аппетита. Вероятно, у человека частично нарушена та поразительная способность регулировать потребление пищи, которая свойственна животным. Регуляция аппетита — один из важных механизмов гомеостаза, обеспечивающего поддержание постоянства молекулярного состава организма. Вместе с тем этот механизм — один из наиболее уязвимых в силу обстоятельств, рассмотрение которых выходит за рамки этой книги.

Управление аппетитом и питанием сформировалось в ходе эволюции и базируется на определенной системе сигналов. Неправильное пищевое воспитание и неправильное пищевое поведение человека, т.е. отсутствие культуры питания, приводят к многочисленным ошибкам в работе механизмов, регулирующих аппетит человека. Из этих ошибок наиболее распространенная — переедание одних типов пищевых продуктов и недоедание других. Уже в рамках теории сбалансированного питания для преодоления этого коренного дефекта были сформулированы понятия идеальной пищи и идеального питания, а также предложены их модели. Однако, как отмечено выше, с позиций теории адекватного питания пища не должна и не может быть идеальной. Более уместно представление об адекватной пище, которая широко варьирует в зависимости от внешних условий и внутренней среды организма.

Соотношение различных компонентов в пище и характер питания, которые должны обеспечивать эффективное функционирование депо и «упражнение» различных метаболических систем, необходимо рассматривать с точки зрения физиологической культуры, и в том числе культуры питания. Следует заметить, что некоторые «нутритивные секты», использующие определенные типы и режимы питания, часто достигают существенных успехов, так как, воздействуя на те или иные формы обмена веществ, добиваются полезных эффектов. Однако в ряде случаев эффекты оказываются, к сожалению, кратковременными, а иногда и нежелательными. Именно поэтому физиологическая культура, и в том числе культура питания, должна развиваться под контролем специалистов и в строгом соответствии с реальными потребностями организма.

3.2.11. Краткое сопоставление теорий сбалансированного и адекватного питания

Согласно теории сбалансированного питания, пища, которая представляет собой сложно организованную структуру и состоит из нутриентов, балластных веществ и иногда ряда токсических продуктов, подвергается механической, физико-химической и в особенности ферментативной обработке. В результате этого полезные компоненты пищи извлекаются и превращаются в лишенные видовой специфичности мономеры, которые всасываются в тонкой кишке и обеспечивают энергетические и пластические потребности организма. (Многие физиологи и биохимики сравнивают этот процесс с извлечением ценных компонентов из руды). Из балластных веществ, некоторых элементов пищеварительных соков, слущенных клеток эпителиального пласта желудочно-кишечного тракта, а также под действием бактериальной флоры, частично утилизирующей нутриенты и балластные вещества, формируются экскреты, которые выбрасываются из организма. Из этой схемы ассимиляции пищи вытекают принципы расчета количества полезных веществ, поступающих в организм вместе с пищей, оценка ее достоинств и т.д.

В соответствии с теорией адекватного питания питание обусловлено не только нутриентами, но и потоком различных регулирующих соединений, вырабатывающихся эндокринными клетками пищеварительного аппарата, а также содержащихся в самой пище или образующихся при ее взаимодействии с микрофлорой кишечника. Другими словами, нормальное питание определяется не только потоком нутриентов, но и строго регламентировано потоком регуляторных факторов. Далее, бактериальная флора желудочно-кишечного тракта не только у жвачных, но, по-видимому, у всех или подавляющего большинства многоклеточных организмов — необходимый участник ассимиляции пищи. Для сложных организмов справедливо считать, что в метаболическом смысле они представляют собой надорганизмы, у которых имеет место взаимодействие хозяина с определенной микропопуляцией. Под действием микрофлоры образуются вторичные нутриенты, которые скорее всего чрезвычайно важны, а во многих случаях необходимы. Источником вторичных нутриентов служат балластные вещества, участвующие в регуляции многих локальных и общих функций организма.

Таким образом, питание в свете новой теории — это чрезвычайно сложный процесс, в котором пищеварение является не только способом извлечения полезных компонентов из сырья. Эта теория возвращает нас к некоторым общим идеям античного естествознания, которые заключаются в том, что в процессе пищеварения образуются новые компоненты пищи. С этой точки зрения обогащение пищи за счет удаления балластных веществ, необходимое с позиций теории сбалансированного питания, кажется абсолютно неправильным в свете теории адекватного питания. Точно так же подавление бактериальной флоры противоречит новой теории, хотя и хорошо согласуется с представлениями о механизмах усвоения пищи, развивавшихся классической теорией.

Следовательно, новая теория адекватного питания не является модификацией классической, а представляет собою новую теорию с другой аксиоматикой. Однако основной постулат, согласно которому расход и поступление в организм пищевых веществ должны быть сбалансированы, новая теория целиком принимает.

3.3. Теории питания и некоторые конкретные проблемы

В настоящее время установлено, что ассимиляторный цикл состоит из цепи реакций, взаимодействие которых обеспечивает его совершенство и эффективность. Об этом говорил еще И. П. Павлов, сравнивая пищеварительный аппарат с химическим производством. Прохождение пищи по желудочно-кишечному тракту включает ряд локальных и общих систем, обеспечивающих координацию деятельности различных отделов пищеварительного аппарата и, что не менее важно, переключение обмена всего организма с «голодного» на «сытый». Такое переключение реализуется при участии кишечной гормональной системы. Благодаря таким механизмам ассимиляция пищи становится не местным процессом извлечения нутриентов из желудочно-кишечного тракта и передачи их во внутреннюю среду организма, а общим процессом, так как включается в общие реакции организма. Такие реакции усиливаются тем, что кроме собственно нутритивных функций желудочно-кишечный тракт выполняет сложную защитную функцию. Последняя, как было ранее отмечено, реализуется благодаря барьерам, к которым могут быть отнесены клетки кишечной слизистой с их гликокаликсом и липопротеиновой мембраной, а также иммунный и ферментный барьеры. Этот ферментный барьер состоит из трансформационных систем и систем внутриклеточного гидролиза, участвующих в процессах катаболизма.

Рассмотрим конкретные примеры различного решения некоторых проблем в свете классической и новой теорий питания. Одна из них связана с пищевой непереносимостью.

3.3.1. Непереносимость молока

Проблема пищевых интолерантностей, или непереносимостей, может быть охарактеризована на примере непереносимости молока. Она затрагивает практически все человечество, так как интолерантностью к молоку страдают сотни миллионов или даже миллиарды людей. В частности, непереносимость молока наблюдается у 6—12% европейцев и американцев. У жителей Ближнего Востока она достигает 70%. Сходные данные получены в отношении киприотов, японцев, эскимосов Гренландии, индейцев Америки, африканцев и жителей Шри-Ланки. Вместе с тем у пигмеев Африки выявлена европеоидная картина, т.е. непереносимость молока встречается лишь у 5%.

Установлено, что при переходе от питания молоком к смешанному питанию происходит частичная репрессия гена, контролирующего синтез лактазы — фермента, расщепляющего лактозу, или молочный сахар. Лактозная толерантность определяется генетически рецессивным путем. Предполагается, что степень репрессии лактазного гена связана с историей данной этнической группы и, возможно, определяется наличием или отсутствием молочной культуры на заре становления данного народа (табл. 5). Следовательно, уровень репрессии лактазного гена может служить своеобразным генетическим маркером, как и многие другие маркеры. Для лучшего понимания этой проблемы рассмотрим механизмы интолерантности к молоку.

Распространенность лактазной недостаточности (ЛН) у взрослых среди различных этнических групп

Этнические группы

% ЛН

Люди, занимающиеся охотой и уборкой сельскохозяйственных культур

86

Люди, занятые в сельском хозяйстве, из традиционных зон, не связанных с молочным скотоводством, а также их относительно несмешанные потомки:

90

в Северной и Южной Америке

97

в Африке южнее Сахары

87

в Юго-Восточной и Восточной Азии

90

Люди, занятые в сельском хозяйстве, предки которых жили в традиционных зонах, не связанных с молочным скотоводством, но мигрировали в относительно недавний период в соседнюю зону, чтобы употреблять молоко

88

Люди, включая занятых пастбищным скотоводством, которые потребляли молоко и богатые лактозой молочные продукты в течение длительного исторического периода и жили в условиях стресса, связанного с диетой, а также их относительно несмешанные потомки:

11

в Африке и на Ближнем Востоке

10

европейцы и их потомки

11

в Индии и Пакистане

18

Люди, которые употребляли молоко с древних времен, но не подвергались селективному отбору, предупреждающему ЛН

72

Продукты частичного гидролиза пищевых биополимеров, а также небольшие молекулы, в частности лактоза и сахароза, проникают через гликокаликс и достигают поверхности мембраны, где локализовано около 20 ферментов. Эти ферменты, осуществляющие заключительные стадии расщепления практически всех пищевых веществ, образуют олигомерные комплексы с транспортными системами. Благодаря этому образовавшиеся конечные продукты гидролиза немедленно поступают в транспортные системы, которые активно переносят свободные мономеры (глюкозу, аминокислоты и др.). Недостаточность или отсутствие фермента лактазы приводит к непереносимости молока. Зона мембранного пищеварения стерильна, т.е. недоступна бактериям, которые конкурируют с макроорганизмом за обладание нутриентами. У большинства организмов бактерии используют преимущественно остаточные нутриенты. В том случае, когда какой-либо фермент отсутствует, соответствующий субстрат быстро поступает в полость тонкой кишки и становится добычей бактериального пула. Возникающие при этом бактериальные метаболиты вызывают в одних случаях диарею, в других тяжелое отравление, шок и иногда смерть. Тяжелые заболевания, в том числе со смертельным исходом, описаны у взрослых людей даже после нескольких глотков молока. Подавление бактериальной флоры антибиотиками может предотвратить непереносимость молока. Таким образом, механизм интолерантностей, долгое время не имевший объяснения, в настоящее время стал вполне ясен. Тем не менее у людей с одинаковым уровнем лактазной недостаточности интолерантность может быть или выражена, или совершенно отсутствовать. Это определяется двумя причинами: 1) различиями бактериальной флоры (у одних лиц бактериальная флора не вырабатывает токсических метаболитов, у других — продуцирует их); 2) состоянием барьерных функций печени,

При старении организма, как правило, непереносимость ряда пищевых продуктов возрастает. Это связано не только с возрастным ослаблением синтеза различных ферментов, в том числе лактазы, но и в особенности с ослаблением функций печеночного барьера. Во многих случаях воздействия на печень и применение лекарственных препаратов приводят к восстановлению толерантности.

В последние годы делаются многочисленные попытки создать молоко, которое могли бы использовать люди с интолерантностью к этому продукту. Для этого существует два пути: 1) предварительный гидролиз лактозы до употребления молока в пищу; 2) добавление в молоко фермента лактазы, расщепляющего молочный сахар. При лактозной интолерантности употребляется молоко с расщепленной лактозой, а также молочные продукты с низким содержанием этого дисахарида (сыр, кефир, кислое молоко и др.). Как показали эксперименты, низколактозное коровье молоко, полученное после инкубации его с дрожжевой лакта-зой, не вызывает заметных нарушений у взрослых лиц, страдающих непереносимостью молока. В то же время немодифицированное молоко провоцирует все симптомы, характерные для этого заболевания.

3.3.2. Питание новорожденных

На примере работы молекулярных и клеточных машин попытаемся проиллюстрировать, насколько важны естественные технологии и насколько велики те ошибки, которые делало и продолжает делать человечество при кормлении новорожденных.

Выше отмечено, что переваривание пищи у взрослого человека осуществляется благодаря полостному (внеклеточному) и мембранному пищеварению. Однако в период раннего постнатального развития пищеварение происходит несколько иначе. Теоретически ясно, что при питании высокодиспергированной пищей, не требующей значительной предварительной обработки в пищеварительных полостях, основной гидролиз будет наблюдаться в зоне мембранного пищеварения. У новорожденных организмов мембранное пищеварение является доминирующим, тогда как целостное развито слабо.

По-видимому, механизмы, обеспечивающие мембранное пищеварение, к концу эмбрионального периода уже сформированы. Напротив, полостное пищеварение развивается при переходе от молочного питания к смешанному. При этом происходит изменение ферментного спектра мембраны кишечных клеток. В этот же период наблюдается и репрессия синтеза лактазы. Кроме того, в первые дни после рождения ребенка первостепенную роль играет внутриклеточное пищеварение эндоцитозного типа.

В настоящее время широко используется замена женского молока на коровье, что стало свойством современной цивилизации. Однако появляются тревожные сигналы, что такая замена не адекватна. С точки зрения теории сбалансированного питания имитаторы женского молока на основе коровьего — прекрасный заменитель. Небольшие различия в химическом составе не имеют значения. Но с точки зрения теории адекватного питания в первые месяцы жизни ребенка такая замена неудовлетворительна, а в первые дни крайне опасна. Эта опасность обусловлена тем, что непосредственно после рождения имеет место интенсивный эндоцитоз, который заключается в поглощении кишечными клетками макромолекул и доставке их во внутреннюю среду организма (рис. 17). Этот механизм заключается в улавливании рецепторами поверхности кишки различных типов молекул, затем их быстрой концентрации в области так называемых окаймленных ямок и погружении в цитоплазму в виде везикул (см. гл. 5). Такой механизм обеспечивает множество разнообразных эффектов, в том числе поступление иммуноглобулинов из организма матери в организм ребенка. Однако если молоко матери заменить на молоко представителей млекопитающих других видов, то с помощью того же механизма эндоцитоза во внутреннюю среду организма будут поступать чужеродные антигены, так как в раннем возрасте иммунного барьера в желудочно-кишечном тракте еще не существует. В этом случае возникает ситуация, которая многими иммунологами оценивается как крайне отрицательная, так как за счет естественного механизма обеспечивается поступление во внутреннюю среду организма ребенка огромного количества чужеродных белков. Через несколько дней после рождения эндоцитоз практически полностью прекращается. В этом возрасте при молочном питании возникает иная картина, свидетельствующая о резких различиях между материнским и коровьим молоком.

Рис. 17. Механизмы всасывания макромолекул в кишечнике новорожденных млекопитающих.

А — селективный транспорт γ-глобулинов молозива матери в тощей кишке новорожденных млекопитающих с участием специфического редепторного центра (1) мембраны микроворсинок. γ-Глобулины, по-видимому, защищенные от внутриклеточного лизосомного переваривания из-за связывания с рецепторным центром, транспортируются из клетки в больших количествах. Б — неселективное поглощение и транспорт других молекул, происходящий в тонкой кишке большинства новорожденных млекопитающих. Незрелые кишечные клетки поглощают большое количество макромолекул, которые после внутриклеточного переваривания в фагоомах поступают во внутриклеточное пространство в крайне незначительных количествах. 2 — лизосома; 3 — фаголизосома.

Содержание лактозы в материнском молоке значительно выше, чем в коровьем. При нормальном кормлении ребенка часть лактозы достигает толстой кишки, обеспечивая благоприятную слегка кислую среду для развития молочнокислых и других полезных бактерий. Напротив, при использовании коровьего молока лактоза не достигает толстой кишки и в полости последней вместо молочнокислого брожения возникают гнилостные процессы, что приводит к постоянной интоксикации организма ребенка. Формирование токсических продуктов на фоне слабости кишечного и печеночного барьеров может приводить к нарушениям как физического, так и интеллектуального развития ребенка, которые сказываются не только в детстве, но и в более поздние периоды жизни.

В последние годы сделаны удачные попытки оптимизировать замену грудного молока добавлением к молочным смесям лактозы с тем, чтобы восстановить молочнокислое брожение и подавить гнилостное.

3.4. Теория адекватного питания как составная часть трофологии

Достижения биологии и, в частности, ее физико-химических направлений служат основой для быстрого прогресса наших знаний в области физиологии и биохимии процессов ассимиляции пищи. Были сделаны крупнейшие открытия, которые оказали влияние на всю стратегию питания. В результате успехом молекулярной биологии, мембранологии и цитологии были установлены общие закономерности строения и функционирования систем, обеспечивающих поглощение и ассимиляцию пищевых веществ организмами всех пяти царств биота: бактерий, грибов, простейшие, растений и животных. Это относится как к экзо-, так и к эндотрофии. Поразительно сходны у представителей всех царств биота свойства транспортных систем, участвующих в поглощении и переносе нутриентов через мембраны и клеточные слои (у многоклеточ-ных организмов). Наконец, близки или идентичны механизмы высокоэффективного перехода от переваривания к всасыванию без потери веществ и скоростей процесса в целом с помощью ферментно-транспортных комплексов клеточной мембраны.

Анализ формирующейся теории адекватного питания свидетельствует, что мы вышли далеко за пределы классических представлений о пищеварении и питании и представлений об ассимиляторных процессах в живых системах. Возникает необходимость в рассмотрении всей информации с единых позиций, что может быть реализовано в пределах междисциплинарной науки — трофологии.

Предметом исследования трофологии являются общие закономерности ассимиляции жизненно необходимых веществ на всех уровнях организации живых систем — от клетки, органа и организма до соответствующих связей в популяции, биоценозах и биосфере. Трофология охватывает многие области знаний: механизмы и закономерности трофических взаимодействий, трофику клеток и тканей, гастроэнтерологию, науку о питании, и в том числе диететику, иммунологию, микробиологию, экологию, ассимиляторные аспекты почти всех биологических наук, а также некоторых химических и технологических наук, определенные научные проблемы сельского хозяйства, многие пограничные проблемы (например, физиология аппетита и функции депо, трофические функции нервной системы и гормонов) и т.д. Другими словами, трофология объединяет звенья искусственно разорванной и разделенной между этими областями знаний единой ассимиляторной цепи.

Перед трофологией стоят актуальные проблемы теоретического и прикладного значения. К числу теоретических проблем следует отнести механизмы поглощения и ассимиляции пищевых веществ, механизмы распределения и перераспределения этих веществ в пределах организма и одной клетки, взаимоотношения и регуляцию пищевых связей в биоценозах, механизмы передачи пищевых веществ вдоль трофических цепей, роль трофических процессов в циркуляции веществ в биоценозах и биосфере, трофические проблемы эволюции видов, биоценозов и биосферы.

К числу прикладных проблем трофологии, которые являются первоочередными в современной науке, следует отнести проблему идеальной пищи и оптимального питания, согласование и критерии производственных технологий питания на основе трофологических анализов, защиту и сохранение естественных трофических систем, управление трофическими циклами в отдельных биоценозах и в биосфере, создание искусственных рациональных и эффективных трофических систем на Земле и в космосе.

С позиций трофологии, растениеводство и животноводство как отрасли народного хозяйства, использующие и перерабатывающие растительные и животные богатства, должны плодотворно взаимодействовать как части трофических циклов. Практические аспекты трофологии могут дать более надежную основу как для промышленной и сельскохозяйственной продукции пищевых средств, использованных ранее, так и для разработки оптимального питания и кормления. Ряд аспектов трофологии выходит далеко за пределы научной основы индивидуального питания и превращается в базу промышленного и аграрного производства пищевых продуктов и поддержания равновесия биологических сообществ.

Трофология, как и многие новые науки, опирается не на один, а на множество различных методических подходов, в том числе на математические, химические, физические и биологические. Трофологические подходы включают соотнесение свойств пищевых продуктов и трофических процессов на всех уровнях организации живых систем с их значением в обеспечении энергетического и пластического обмена анализируемой системы.

3.5. Биосфера как трофосфера

Жизнь на Земле возможна лишь как планетарное явление, как форма существования биосферы с обязательным для нее кругооборотом веществ и потоков энергии — биотическим круговоротом. Равновесие между синтезом и деструкцией веществ — необходимое условие поддержания жизни в планетарном масштабе и существования каждого вида. Биотический круговорот при этом выступает в большей степени как трофический процесс, а сами организмы составляют трофические цепи, где каждый вид использует определенные источники питания и вместе с тем сам служит пищевым объектом.

С деятельностью живых систем связана та часть поверхности Земли, которая объединена под названием биосферы. Ясно, что живые системы, представляющие собой активную силу, действующую сегодня, составляют лишь сравнительно небольшую часть биосферы, которая организована как система круговоротов. В последние включен ряд неорганических компонентов. Многие неорганические вещества превращаются в органические и проходят превращения в метаболических звеньях трофических цепей, а затем в идеальных случаях возвращаются в метаболические звенья компонентов круговорота.

Понимание биосферы как трофосферы, состоящей из различных трофоценозов с их цепными и разветвленными связями, обеспечивающими циркуляцию веществ и энергии, позволяет решать проблемы охраны окружающей среды и поддерживать экологическое равновесие путем анализа пищевых соотношений и их сохранения. В некоторых случаях при нарушении трофических цепей возможно их восстановление за счет включения недостающих звеньев.

Следует обратить внимание на несколько аксиоматических положений: 1) в основе энергетики жизни и образования органических веществ лежат преимущественно солнечная энергия и процессы фотосинтеза; 2) основная часть энергии расходуется в результате метаболизма в самих аутотрофных организмах; 3) лишь небольшая часть аккумулированного материала (примерно 10%) переходит в следующее звено трофической цепи и т.д. Следовательно, лишь небольшая часть энергии, накопленной в органических веществах, передается по трофическим цепям. Однако именно эта неметаболизированная часть и является самой важной, так как она определяет состав биосферы, ее единство, гомеостаз и многие другие свойства.

В классическом труде «Биосфера» В. И. Вернадский в 1926 г. писал, что на земной поверхности нет химической силы более постоянно действующей, а потому более могущественной по своим конечным последствиям, чем живые организмы, взятые в целом. Следует подчеркнуть, что живые организмы необходимо рассматривать не как сумму автономных сил, а как системы (в особенности трофические), в которых активности организмов и популяций включены в определенные взаимодействующие и взаимосвязанные звенья.

Когда В.И. Вернадский создавал концепцию биосферы, концепция трофических цепей базировалась на упрощенных и неполных представлениях, не позволяющих дать систематическое описание механизмов ассимиляции пищи. Благодаря достижениям биологии последних лет представляется возможным охарактеризовать все процессы, происходящие в трофических цепях, на основании трех основных типов пищеварения, а также трех типов транспорта. Эти достижения позволяют также показать, что место вида в трофической цепи определяет его процветание.

Физиология организмов тесно связана с видовыми особенностями питания и добывания пищи. Экологи подчеркивают, что главная побудительная причина активности животных — поиск пищи в достаточном количестве, а структура и деятельность сообществ в большой мере зависят от наличия пищи. Многие процессы в организме подчинены особенностям питания, связанным с местом вида в трофической цепи и способом добывания пищи.

Одно из положений трофологии заключается в том, что любой организм (точнее, вид) приспособлен к определенному источнику питания и вместе с тем к тому, что он сам служит источником питания. Для этого организмы должны обладать определенной фагичностью, т.е. доступностью для других организмов в качестве источника пищи, и трофичностью, т.е. питательными свойствами и способностью быть ассимилированными. На первый взгляд такое положение может показаться телеологичным и противоречащим действительности, так как существует много данных в пользу того, что организмы вырабатывают специальные способы защиты от потенциального хищника. Однако анализ показывает, что фагичность и трофичность обеспечивают процветание вида (разумеется, если они не переходят определенных границ). Из этого становится понятной взаимная адаптация так называемых трофических партнеров, например строгая взаимная зависимость свойств и численности популяций хищника и его жертвы. При уменьшении популяции жертвы популяция хищника начинает вымирать. При благоприятных условиях питания популяция жертвы может увеличиваться, что влечет за собой увеличение также и популяции хищника. Когда увеличение популяции хищника достигнет максимума, из-за уменьшения популяции жертвы наступает депрессия численности хищника. Анализ свойств такой пары демонстрирует роль источника пищи и наличие обратной связи.

Возможно гомеостатирование популяции за счет того, что хищники будут питаться преимущественно больными, дефектными или стареющими ее членами, а численность популяции как источника питания будет поддерживаться на определенном уровне. Совершенствование жертвы могло бы привести хищника к гибели от голода и вследствие этого к ухудшению ее популяции из-за отсутствия контроля со стороны хищника.

Это можно наблюдать в тех случаях, когда в том или ином регионе поголовье хищника уничтожалось или искусственно увеличивалось с помощью специальных мероприятий по охране этих животных.

Существует еще один механизм регуляции поедаемости, основанный не только на численности взаимодействующих популяций. Так, хищник оберегает вид, которым он питается. Примером этому могут служить морские звезды и офиуры, которые имеют период голодания в один-два месяца, приуроченный ко времени оседания личинок пластиножаберных моллюсков — одного из основных пищевых объектов названных хищников. Личинки очень малы, но за время голодания хищников масса жертвы увеличивается на 2—3 порядка. Таким образом, хищник сохраняет источник своего питания.

Примером взаимных адаптаций служит эволюция взаимоотношений паразит—хозяин, при которой происходит уменьшение вредных для хозяина последствий паразитизма или инфекционного воздействия и переход к нейтральным или часто симбионтным взаимоотношениям.

3.6. Типы питания. Классическая и новая (естественная) классификация трофических механизмов в мире живых существ

Ранее по типу питания все живые организмы подразделялись на две основные группы: 1) аутотрофы (большинство растительных организмов), использующие лишь неорганические вещества; 2) гетеротрофы (животные), потребляющие органические вещества наряду с неорганическими. Однако такая классификация живых существ не представляется вполне удачной. Строго говоря, все организмы нуждаются в экзотрофии и, следовательно, не могут быть аутотрофами в прямом смысле этого термина. При экзотрофии используются органические материалы в одном случае и неорганические — в другом. Таким образом, каждый организм является гетеротрофом и не может быть полным аутотрофом.

Мною была предложена естественная классификация типов питания живых организмов. В соответствии с этой классификацией все организмы были распределены по шкале, на одном полюсе которой находятся полные абиотрофы, а на другом — полные биотрофы. Абиотрофами являются организмы, использующие для питания только неорганические компоненты, в том числе углекислоту, воду, соли и т.д. Биотрофы представляют собой организмы, потребляющие в качестве пищи органические соединения, первично синтезированные абиотрофами. Переходы от абиотрофии к биотрофии сложны и постепенны. Вся шкала между этими двумя крайними группами занята организмами с возрастающей долей биотрофии. В сущности, абиотрофных организмов, т.е. организмов, синтезирующих все органические компоненты из неорганических, сейчас практически не существует. Например, фотосинтезирующие организмы — это неполные абиотрофы, так как они не способны, в частности, к фиксации азота и, следовательно, абиотрофны по большинству, но не по всем характеристикам. Азотфиксирующие бактерии абиотрофны по азоту, но для получения энергии используют биологические источники пищи.

Биотрофия в широком смысле существует в нескольких вариантах, имеющих различное физиологическое значение, но близкие, а иногда идентичные механизмы: 1) питание живыми организмами или их элементами (витальная экзотрофия); 2) питание продуктами жизнедеятельности других организмов, отмирающими организмами, частями организмов, например листьями растений или слущенными эпителиальными клетками (поствитальная экзотрофия, или сапрофитизм). К биотрофии относится также эндотрофия, характерная для темнового питания растений, а также наблюдаемая при голодании животных. Биотрофия у некоторых животных становится почти полной, например у хищников, однако они используют воду и соли небиологического происхождения. Полная биотрофия характерна для некоторых монофагов, а также для симбионтов, эмбрионов и некоторых других организмов.

В свете современных данных ясно, что механизмы эндо- и экзотрофии родственны, а не противоположны, как представлялось ранее, когда экзотрофию рассматривали в качестве гетеротрофии, а зндотрофию в качестве аутотрофии. Делается понятным, в частности, структурное и функциональное сходство микроворсинок кишечника, обеспечивающего внешнюю биотрофию, и микроворсинок плаценты, реализующей питание зародыша за счет матери.

О происхождении и эволюции экзотрофии. Наиболее вероятно, что первичные живые организмы были примитивными и не имели сложного аппарата, необходимого для фиксации азота и фотосинтеза. Они получали основные органические материалы в виде мономеров из небиологических источников, т.е. были абиотрофами, питавшимися органическими соединениями. По-видимому, уже тогда, т.е. на очень ранних стадиях эволюции, образовались ферментные системы, обеспечивающие частичное гидролитическое расщепление внутренних структур для использования их в качестве источника энергии и для построения новых структур. Такие гидролазы, вероятно, являлись наиболее древними. Они служили основой для формирования эндотрофии, а на более поздних этапах — экзотрофии. Можно предположить, что эти ферменты, первоначально участвующие в перестройке структур и эндотрофии, могли затем послужить базой для утилизации структур соседних, но отмирающих организмов и структур.

Так, на основе первичной эндотрофии формировалась экзотрофия всех известных живых организмов: бактерий, грибов, простейших, растений и животных. Эта древность и первичность эндотрофии позволяет понять сходство эндотрофических процессов и осуществляющих их систем у столь далеких друг другу организмов, как бактерии, высшие растения и животные. Кроме того, становится ясно, что все типы пищеварения, сформировавшиеся на общей основе, сходны у всех живых организмов. Действительно, внутриклеточное, мембранное и внеклеточное пищеварение у бактерий, грибов, растений и высших животных обладает многими общими чертами. Системы же фото- и хемосинтеза, необходимые для абиотрофии, — это более позднее и весьма специфическое достижение эволюции.

Принципиальное сходство механизмов ассимиляции пищевых веществ с помощью деполимеризующих систем (т.е. механизмов пищеварения), характерное для большинства живых организмов, имеет адаптивное значение. Благодаря этому сходству оказывается возможным приспособление организмов к изменению места в трофической цепи (за исключением первого, где происходит синтез органических соединений из неорганических). Другими словами, возможно превращение растительноядных организмов в хищников того или иного порядка, в паразитов, переход от хищничества к сапрофитизму и т.д. Этим можно объяснить возникновение таких специализированных процессов, как эмбриональное и молочное питание.

Таким образом, сходство, а иногда идентичность различных типов биотрофии — не случайность, а отражение их эволюционной общности. Эта же общность механизмов ассимиляции позволяет понять причины того, что питание животных ничем существенно не отличается от питания простейших, грибов или даже бактерий. Действительно, все существующие организмы (за исключением некоторых эндопаразитов) в качестве пищевых веществ используют преимущественно определенные макромолекулы или сложные комплексы, состоящие из белков, жиров, углеводов, нуклеиновых кислот и т.д. Специфические гидролазы, сформированные в ходе эволюции, реализуют деполимеризацию этих веществ преимущественно до мономеров, пригодных к всасыванию и усвоению. При этом естественная технология переработки и усвоения пищи сводится, как неоднократно отмечено, к трем основным типам пищеварения и последующему всасыванию. С другой стороны, понятно, что близкие виды организмов могут приспосабливаться к различным условиям литания, например к растительному, хищничеству, сапрофитизму, так как в основе всех этих способов питания лежат единые по своей сути механизмы. Вместе с тем виды, относящиеся к различным типам и даже царствам, могут занимать аналогичные трофические ниши.

***

Открытие общих закономерностей ассимиляции пищевых веществ, одинаково справедливых для наиболее примитивных и для наиболее высокоорганизованных живых систем, способствовало формированию новой эволюционно аргументированной теории адекватного питания, пригодной для анализа ассимиляторных процессов у человека и других биотрофных организмов. Многие общие аспекты новой теории питания связаны с экологией, а многие аспекты жизни и эволюции живых организмов становятся понятными на уровне биосферы. Это обстоятельство явилось важной предпосылкой для объединения многих звеньев биологических и медицинских наук, посвященных различным сторонам механизмов ассимиляции пищи в биологических системах различной степени сложности (от клетки и организма до экосистемы и биосферы), в одну комплексную междисциплинарную науку трофологию.

Рассмотрение процессов питания с координированной системой свойств пищевых продуктов и с механизмами ассимиляции пищи на разных этапах эволюции следует проводить в рамках трофологии. Такое объединение необходимо биологу для понимания фундаментального единства природы и процессов взаимодействий в биосфере на основе трофических связей, т.е. для характеристики биосферы как трофосферы. Рассмотрение в пределах одной науки микроскопических и планетарных явлений — это не попытка механически объединить разнородные феномены, а результат наблюдений, свидетельствующих о единой, хотя и многоуровневой системе трофических связей. На одном полюсе этой системы стоит трофика клетки как необходимое условие жизни, на другом — превращение и перемещение огромных масс веществ и энергии в биосфере в результат© трофической иерархии и взаимосвязанности организмов в масштабах планеты. Это позволяет воспринимать биосферу в определенном смысле как трофосферу, где пищевые связи образуют замкнутый контур. Грандиозность и различия масштабов, которыми оперирует трофология, не должны удивлять. Хотя носителями жизни служат отдельные организмы, в ее основе лежат элементарные процессы на молекулярном и клеточном уровнях, а в целом жизнь возможна лишь как планетарное явление. На всех уровнях организации живых систем начальное звено жизненного цикла — ассимиляция, являющаяся предметом трофологии.

Но не в меньшей мере формирование трофологии необходимо для различных медицинских наук, так как трофика тканей и ее нарушения, различные проблемы гастроэнтерологии, теоретические и прикладные аспекты науки о питании — это в действительности нерационально разделенные части одной общей проблемы — проблемы ассимиляции пищевых веществ организмами, стоящими на разных уровнях эволюционной лестницы. Эту проблему следует рассматривать с некоторых унитарных позиций на основе более обширных и глубоких, чем ранее, взглядов. Эти взгляды должны опираться на общебиологические и эволюционные закономерности, на огромный клинический опыт, а также на достижения ряда наук, особенно химии и физики.

Глава 4.

ЭВОЛЮЦИЯ ЕСТЕСТВЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ НА ПРИМЕРЕ ЭКЗОТРОФИИ

Экзотрофия, и в том числе пищеварение, была охарактеризована как некоторая естественная технология. В этой главе такая технология будет рассмотрена в эволюционном аспекте.

Было бы привлекательно думать, что хотя сущность пищеварения остается одинаковой на всех уровнях эволюционной лестницы, оно осуществляется механизмами различной степени сложности и совершенства. Так, можно допустить, что у примитивных организмов пища расщепляется с помощью более простых механизмов, чем у высокоорганизованных. Именно такая схема эволюции ассимиляторных механизмов и была предложена первоначально. Суть ее заключалась в том, что эволюция шла от вариантов примитивного внутриклеточного пищеварения к вариантам более совершенного внеклеточного. Иными словами, предполагалось, что в ходе эволюции естественные технологии совершенствовались.

Однако на основании исследований эволюции пищеварительных ферментов, начатых мною в 50-е гг., а также благодаря анализу собственных и других фактов я пришел к одному из самых трудных заключений, которые должен был сделать. Это заключение состояло в том, что наиболее фундаментальные характеристики пищеварительных процессов в ходе эволюции не менялись. Таким образом, основа современных естественных технологий пищеварения сформировалась чрезвычайно давно.

Обратимся к фактам, которые привели к столь ответственному заключению сначала в отношении пищеварения, а затем в отношении организации и эволюции сложных физиологических функций вообще.

4.1. Классические теории эволюций пищеварения

С конца XIX в. ж до последнего времени была принята концепция происхождения и эволюции пищеварения, созданная И. И. Мечниковым в 1880 г., а затем развитая X. Иорданом ж другими исследователями. Согласно этой концепции, пищеварение эволюирует от внутриклеточного, наблюдаемого у простейших и самых примитивных многоклеточных, ко все более сложным формам внеклеточного (полостного) пищеварения высших организмов. Замена одного типа пищеварения другим происходит на этапе, филогенетически более высоком, чем губки.

Внутриклеточное пищеварение везикулярного типа было открыто И. И. Мечниковым при исследовании пищеварительных процессов в сравнительно-физиологическом плане и обозначено термином «фагоцитоз» (или клеточная еда). При световой микроскопии фагоцитоз у клеток и организмов с амебоидной активностью представляется простым процессом. Действительно, движение амебы связано с изменением формы ее тела, образованием на нем впячиваний и выпуклостей. И. И. Мечников на светооптическом уровне продемонстрировал, что при этом у амебы может происходить поглощение и переваривание пищи. Жертва может обволакиваться амебой так, что через короткое время она оказывается погруженной внутрь ее тела, после чего впячивание отшнуровывается от остальной поверхности тела и в виде везикулы погружается в цитоплазму. Затем содержимое везикулы постепенно растворяется. Такой процесс захвата и переваривания пищевых частиц наиболее четко выражен у простейших и самых примитивных форм многоклеточных организмов. По этому поводу И. И. Мечников в 1880 г. писал: «Так как захват пищи энтодермальными клетками констатирован у представителей всех главных групп кишечнополостных, можно свободно сделать следующее заключение. Если принять во внимание, что у низших червей, турбеллярий и др. наблюдается такая же закономерность, то, пожалуй, будет оправдано заключение, что внутриклеточное пищеварение составляет первобытное явление у многоклеточных и было правилом также у предков последних. Для такого способа пищеварения вовсе нет надобности в особой пищеварительной полости, которая на основании этого должна рассматриваться как вторично приобретенное образование» (с. 10).

Таким образом, И. И. Мечников рассматривал внутриклеточное пищеварение как наиболее простой тип, на основе которого возник более совершенный — внеклеточное полостное пищеварение.

Важно сразу же подчеркнуть, что у высших организмов пищеварение фагоцитозного типа сохраняется почти в неизмененном виде как одна из реакций клеточного иммунитета.

4.2. Распространение основных типов пищеварения

Прежде всего рассмотрим критерии, на основании которых можно говорить о наличии или отсутствии у животных различных систематических групп внеклеточного, внутриклеточного и мембранного пищеварения. Современные критерии позволяют установить формы внутриклеточного пищеварения, связанные не только с фагоцитозом, но и с пиноцитозом (в том числе с микропиноцитозом), т.е. с такими формами эндоцитоза, которые могут быть идентифицированы только с помощью электронной микроскопии. Вместе с тем анализ таких данных показал, что внутриклеточные везикулярные структуры, наличие которых до сих пор рассматривается зоологами как надежный критерий внутриклеточного пищеварения, могут участвовать во многих внутриклеточных процессах. К их числу следует отнести опосредованный рецепторами эндоцитоз, репаративный эндоцитоз, связанный с утилизацией поврежденного участка клеточной мембраны, а также компенсаторный эндоцитоз (рециклинг мембран, поддерживающий постоянство площади клетки при интенсивной секреции). Таким образом, эндоцитоз самого различного характера может симулировать картину внутриклеточного пищеварения. То же самое справедливо для экзоцитоза. Наконец, существует цепь событий, которую можно было бы назвать трансцитозом. Речь идет о тех случаях, когда эндоцитоз сопровождается экзоцитозом и связан с транспортировкой вещества от одной поверхности клетки к другой без его гидролиза. Например, долгое время считалось, что новорожденным организмам присуще внутриклеточное пищеварение. Такой вывод был сделан на основании наличия в кишечных клетках пищеварительных везикул. Однако он оказался не вполне корректным, поскольку в этом случае может иметь место транспорт материнских иммуноглобулинов во внутреннюю среду организма новорожденного.

Первоначально приведем сведения относительно распределения двух типов пищеварения — внеклеточного и внутриклеточного в эволюционном аспекте. Такая логика описания обусловлена тем, что большинство исследований и заключений было сделано без учета мембранного пищеварения, которое было обнаружено лишь в 1958 г.

Л. Проссер и Ф. Браун (1967) обращали внимание на тот факт, что у многих организмов имеется как внеклеточное, так и внутриклеточное пищеварение. Так, некоторые простейшие обладают способностью переваривать пишу внеклеточно, но у большинства из них переваривание происходит в пищеварительных вакуолях или в цитоплазме.

Внутриклеточное пищеварение в вакуолях обеспечивает поступление нутриентов у губок. У этих организмов обнаружены ферменты типа пепсина и трипсина, а также ферменты, расщепляющие жиры и крахмал, причем ферментативная: активность выявлена лишь в экстрактах клеток, а не в жидкостях, заполняющих системы каналов животных. У гидры попавшая в гастроваскулярную полость пища стимулирует деятельность расположенных в энтодерме зимогенных железистых клеток. Под действием их ферментов происходят начальные этапы пищеварения, а образующиеся пищевые частицы фагоцитируются энтодермальными эпителиально-мышечными клетками, причем основные этапы пищеварения имеют место внутри клеток гастродермиса.

Среди бескишечных турбеллярий встречаются как внутриклеточное пищеварение, так и своеобразный вариант внеклеточного пищеварения. У других ресничных червей, обладающих сформированным кишечником, наблюдается сочетание внутриклеточного и полостного пищеварения. В составе кишечного эпителия появляются специализированные железистые элементы, причем благодаря развитию полостного пищеварения эпителиальные клетки приобретают способность к пи-ноцитозу, мембранному пищеварению и всасыванию.

У цестодообразных в связи с переходом к паразитизму в кишечнике организма-хозяина пищеварительная система редуцирована и отсутствует ряд пищеварительных ферментов. Пища переводится в доступное к усвоению состояние пищеварительными ферментами хозяина, а частично гидролизованные субстраты черви воспринимают всей специализированной поверхностью тела. Пищеварительный тракт полностью редуцирован и у примыкающих в систематическом отношении к плоским червям эндопаразитических ортонектид и дициемид.

У немертин наблюдается как полостное, так и внутриклеточное пищеварение. Среди круглых червей внутриклеточное пищеварение имеет место у брюхоресничных. У нематод внутриклеточное пищеварение встречается редко, обычно переваривание пищевых материалов осуществляется в полости кишки.

Начальные стадии пищеварения у коловраток происходят в полости желудка за счет секреции пищеварительных желез, а заключительные — в пищеварительных вакуолях эпителия стенки желудка.

В пищеварительном тракте приапулид пищеварение преимущественно полостное. У эндопаразитических скребней, во взрослом состоянии обитающих в кишечнике организма хозяина, пищеварительная система отсутствует и питание осуществляется подобно ленточным червям покровами тела.

У кольчатых червей преобладает внеклеточное пищеварение, а внутриклеточное в качестве дополнительного механизма может реализоваться подвижными амебоцитами. У архианнелид пищеварение исключительно внеклеточное. Однако, по-видимому, по крайней мере у некоторых видов существенную роль может играть и внутриклеточное пищеварение непосредственно в клетках кишечного эпителия.

Различным оказывается соотношение полостного и внутриклеточного типов пищеварения у членистоногих. Из хелицеровых у мечехвостов имеет место преимущественно внутриклеточное пищеварение, протекающее в клетках эпителия печеночных выростов средней кишки. У паукообразных сочетается внекишечное по лостное, внутриклеточное и мембранное пищеварение, причем соотношение этих механизмов различно у представителей разных систематических групп. Например, внутриклеточное пищеварение, доминирующее у клещей многих групп, в частности аргасовых и иксодовых, у акароидных не играет большой роли. У них особенно большое значение приобретает полостное пищеварение.

Для иксодовых клещей (кровососущие членистоногие) характерна высокая специализация кишечного эпителия. Она выражена в наличии двух типов пищеварительных клеток, один из которых представлен клетками, поглощающими, сохраняющими и утилизирующими основной компонент пищи клещей — гемоглобин (рис. 18). Микроворсинки кишечных клеток у этих организмов покрыты слабо развитым гликокаликсом, что обусловлено доминированием внутриклеточного пищеварения.

Рис. 18. Схема внутриклеточного переваривания крови в пищеварительных клетках эпителия среднего отдела кишечника иксодового клеща.

ГГ — гематиновые гранулы; ГЛ — гетерофаголизосома; ГФ — гетерофагосома; ТЛ — телолизосома; ТПС — трубчатые плотные структуры; ГЭР — гранулярный эндоплазматический ретикулум; ОТ — остаточное тело. I—III — способы поступления лизосомных ферментов в гетерофагосомы. 1—3 — способы формирования остаточных тел.

У ракообразных (подтип жабродышащие) преобладает полостное пищеварение, однако может встречаться и внутриклеточное, протекающее в вакуолях печеночных придатков.

У представителей трахейных (многоножки и насекомые) обнаружено только внеклеточное пищеварение. У многих растительноядных форм гидролиз обеспечивается присутствующими в кишечнике симбионтными организмами. У насекомых кишечные клетки, обеспечивающие процессы всасывания, одновременно секретируют гидролитические ферменты, реализующие полостной гидролиз.

У двустворчатых моллюсков доминирует внутриклеточное пищеварение белков и жиров. Что касается углеводов, то после предварительного гидролиза в полости желудка их компоненты по системе протоков поступают в пищеварительную железу, или гепатопанкреас. Здесь они интенсивно захватываются специализированными пищеварительными клетками, где подвергаются внутриклеточному гидролизу.

Пищеварительная железа, или пищеварительные выросты — центральный орган, участвующий во внутриклеточном пищеварении у некоторых брюхоногих моллюсков, в частности у голожаберных. У других видов этого класса внеклеточное пищеварение замещает внутриклеточное, однако последнее может еще играть ограниченную роль, как, например, у виноградной улитки.

До недавнего времени считалось, что у головоногих моллюсков пищеварение протекает почти исключительно внеклеточно. Однако по крайней мере у одной из каракатиц может иметь место «атавистическое» пищеварение, заключающееся в захвате клетками печени крупных белковых молекул и их последующем внутриклеточном переваривании.

У плеченогих моллюсков пищеварение внутриклеточное. Однако последние данные свидетельствуют, что эпителий желудка этих организмов способен секретировать ферменты. У брахиопод, по-видимому, начальные этапы пищеварения протекают внеклеточно. Затем частицы пищи поглощаются и перевариваются как внутри клеток эпителия пищеварительной железы, так и в некоторых других отделах пищеварительной системы.

Внутриклеточное пищеварение играет существенную роль у мшанок, где оно протекает в эпителиальных клетках желудка. У форонид заключительные стадии пищеварения происходят внутриклеточно. У камптозой этот тип пищеварения имеет меньшее значение.

Значительное число иглокожих имеет смешанное пищеварение, причем начальные этапы протекают в полости пищеварительного тракта, а заключительные — внутриклеточно.

У погонофор наблюдается редкое для свободноживущих форм явление — замена кишечного пищеварения наружным, в котором в первую очередь участвует аппарат щупалец. Этот феномен позволяет думать о существовании у погонофор мембранного пищеварения.

Оболочники обладают не только полостным, но и внутриклеточным пищеварением.

У бесчерепных (ланцетник), как и у двустворчатых моллюсков, полостному гидролизу подвергаются только углеводы. Белки и жиры фагоцитируются и внутриклеточно перевариваются в клетках эпителия кишки и печеночных выростов.

У позвоночных животных, начиная с круглоротых, внутриклеточное пищеварение в вакуолях практически не встречается. Однако механизм поглощения макромолекул из полости кишечника путем эндоцитоза с образованием пиноцитозных комплексов, характерных для пищеварительных клеток ряда более низкоорганизованных животных, описан для кишечных клеток рыб и новорожденных млекопитающих.

Приведенная интерпретация основана на предположении о существовании только двух типов пищеварения — внеклеточного секреторного и внутриклеточного фагоцитозного (или пиноцитозного). По сейчас известны не два, а три основных типа пищеварения. При этом мембранное пищеварение может симулировать то внутриклеточное, то внеклеточное пищеварение, а также аутолиз (особенно индуцированный) и симбионтное пищеварение.

Если исходить из двух основных типов пищеварения, то заключения будут весьма простыми. При отсутствии признаков внутриклеточного пищеварения следует вывод, что переваривание происходит исключительно в пищеварительных полостях или экстракорпорально. Напротив, если не удается выявить признаки внеклеточного переваривания (в частности, ферментативной активности вне клеток), то следует заключить, что гидролиз происходит внутриклеточно. Наличие секреторных гранул служит аргументом в пользу внеклеточного пищеварения, а везикул фагоцитозного типа — в пользу внутриклеточного. Эти выводы, безупречные в рамках классических представлений, в настоящее время нуждаются в пересмотре. Ниже приведены примеры изменений рассуждений с учетом трех основных типов переваривания пищи: внеклеточного, внутриклеточного и мембранного.

1. Наличие внеклеточного (полостного) и отсутствие внутриклеточного пищеварения означает, что промежуточные и заключительные стадии расщепления пищевых веществ скорее всего происходят за счет мембранного пищеварения. Организмов, усваивающих пищу только с помощью внутриклеточного пищеварения, вероятно, не существует.

2. Отсутствие ферментов в пищеварительных полостях еще не говорит об отсутствии полостного пищеварения. Оно может быть реализовано по типу симбионтного переваривания или по типу индуцированного аутолиза.

3. Внутриклеточное пищеварение нередко сочетается с мембранным, поэтому наличие пищеварительных везикул в цитоплазме не исключает мембранного пищеварения, а ферментативная активность поверхности — внутриклеточного. Соотношения этих типов гидролиза еще не ясны.

Возникает вопрос, являются ли сделанные заключения чисто теоретическими или они подтверждаются современными исследованиями? Многочисленные прямые и косвенные данные свидетельствуют, что в тех случаях, когда ранее констатировалось лишь внутриклеточное или внеклеточное (полостное) пищеварение, имеет место взаимодействие двух и более типов переваривания.

Распределение ферментативных активностей в пищеварительной полости и гепатопанкреасе краба

Фермент

Зобный сок (полостное пищеварение)

Гепатопанкреас (мембранное пищеварение)

Амилаза

+++

+

Мальтаза

+++

++

Сахараза

Лактаза

—

—

Протеиназы

+++

+

Дипептидаза

—

+++

Липаза

+++

—

Моноглицеридлипаза

—

+++

В нашей лаборатории показано сочетание внеклеточного и мембранного пищеварения у многих представителей беспозвоночных животных, в частности у насекомых, ракообразных, моллюсков и червей. Мембранный гидролиз и транспорт пищевых веществ являются важнейшими функциями эпителия средней кишки и ее дериватов, например гепатопанкреаса у ракообразных и моллюсков (табл. 6). Уже сейчас известны случаи, когда эффекты, характерные для мембранного пищеварения, обнаруживаются в передней кишке и структурах эктодермы. В частности, это показано для цестод и для двух видов стригеидных спороцист, эктодермальная поверхность которых покрыта типичной щеточной каймой (рис. 19). Мембранное пищеварение выявлено и у таких паразитирующих форм, как круглые и плоские черви.

У ленточных червей наружная поверхность тела (тегумент) также представляет собой щеточную кайму. В ее зоне обнаружены ферменты как самого паразита, так и организма хозяина, а также транспорт аминокислот, гексоз, витаминов, нуклеотидов, различных ионов и т.д.

Существует гипотеза, что в мембранном пищеварении эхинококков (в области их головки) принимают участие ферменты митохондрий (рис. 20). Эти ферменты поступают в окружающую среду при экзоцитозе митохондрий и их последующей деградации, а затем адсорбируются на структурах внешних покровов тела паразита.

Рис. 19. Ультраструктура тегумента цестод и различные органеллы клеткн тегумента.

1 — микротрихии; 2 — внешняя плазматическая мембрана; 3 — вакуоль; 4 — базальный мембранный комплекс; 5 — липидное включение; б — эндоплазматический ретикулум; 7 — белковое тело; 8 — клетка тегумента; 9 — ядро; 10 — аппарат Гольджи; 11 — зона гликогена; 12 — продольная мышца; 13 — кольцевая мышца; 14 — волокнистая базальная пластинка (тропоколлаген?); 15 — внутренняя плазматическая мембрана; 16 — митохондрии; 17—дискообразное тело; 18 — везикула (пиноцитозная?); 19 — гликокаликс.

Рис. 20. Схема распределения ферментов в области головки эхинококка. 1 — ферменты; 2 — субстрат; 3 — мембранное пищеварение в интерфазе.

Мембранное пищеварение изучалось у дрожжей и бактерий. Было продемонстрировано, что ферменты, действующие в составе мембраны протопласта, обеспечивают расщепление пептидов, олигосахаридов, эфиров фосфорной кислоты и т.д. с образованием активно транспортируемых продуктов.

Итак, сравнительные данные свидетельствуют, что мембранное пищеварение может быть обнаружено на всех этапах эволюционной лестницы. На схеме (рис. 21) показано, что в ходе эволюции от бактерий до млекопитающих не удается описать фундаментальных различий в процессах гидролиза пищевого материала. И у наиболее примитивных организмов, и у наиболее сложных форм обнаруживается как внутриклеточное, так внеклеточное и мембранное пищеварение. Однако создается впечатление, что в случае усвоения пептидов у бактерий преобладает внутриклеточное переваривание, а у млекопитающих — мембранное. Следовательно, идея о развитии пищеварения от примитивного внутриклеточного к совершенному внеклеточному не выдержала испытания временем, так как в природе имеет место взаимоотношение трех основных типов пищеварения — внеклеточного, внутриклеточного и мембранного, а также симбионтного и индуцированного аутолиза.

Рис. 21. Взаимоотношения пептидного транспорта н мембранного гидролиза при ассимиляции пищевых веществ.

А — превалирует внутриклеточное пищеварение; Б — превалирует мембранное пищеварение. Д — дипептид; ММ — мономеры; М — мембрана; Tд — транспортная система для дипептидов; Тм — транспортная система для свободных аминокислот; Тф — ферментно связанная транспортная система; Фм — мембранный фермент; Фи — интрацеллюлярный (внутриклеточный) фермент.

4.3. Примеры деятельности пищеварительной системы у животных, стоящих на разных ступенях эволюции

На примерах пищеварения у животных, стоящих на разных ступенях эволюции, можно проследить его постепенную эволюцию, а также адаптацию клеток и региональную специализацию функций в пределах пищеварительной системы. При этом основные характеристики процессов гидролиза пищевых веществ по существу являются одинаковыми у животных всех групп.

4.3.1. Пищеварение у простейших

Этот процесс рассмотрим на примере парамеций, пищей которых служат бактерии, одноклеточные водоросли, органические остатки. У парамеций при питании происходит образование вакуолей, которые, подвергаясь конденсации и слиянию, проделывают сложный путь внутри одноклеточного организма, а затем снова сливаются с клеточной мембраной вблизи цитостомы (рис. 22). С помощью движения ресничек вдоль орального отверстия пища заглатывается в пищевод (цитофаринкс), слепая оконечность которого (цитостома) образует карман, где она накапливается. Этот мешок в виде пищевой вакуоли отделяется от цитостомы, а на его месте начинает образовываться другой карман. Пищевая вакуоль, проделав определенный путь вокруг органелл одноклеточного организма, возвращается к точке, близкой к цитостоме. Во время этого цикла содержимое вакуоли гидролизуется и растворимые продукты всасываются в окружающую цитоплазму. Непереваренные остатки пищи выводятся наружу через анальную пору, открывающуюся вблизи цитостомы.

Рис. 22. Пути потока мембран во время эндоцитоза у парамеции.

Пища проникает в преддверие (II) ротовой полости (РП); образующаяся пищеварительная вакуоль (ОПВ) переносится в цитофаринкс (ЦФ). Пищеварительная вакуоль ПВ-I соединяется с везикулами и затем конденсируется, образуя пищеварительную вакуоль ПВ-II с высокой кислотностью. Вакуоль ПВ-II сливается с лизосомами, образуя пищеварительную вакуоль ПВ-III, которая подвергается зкзоцитозу в цитопрокте (ЦП).

Выйдя из фаринкса, пищевая вакуоль благодаря всасыванию воды в цитоплазму уменьшается в размерах, ее содержимое становится более компактным, а pH снижается до 1.4. Однако неизвестно, является ли такое снижение pH результатом истинной секреции кислоты, аутолиза или даже всасывания щелочного материала, заключенного в вакуоли. По-видимому, правильна первая точка зрения. Почти не имеется данных о пищеварении, происходящем в кислой среде. Однако эта фаза играет важную роль в умерщвлении жертвы и денатурации ее белков, как это имеет место у многих других животных. Хотя она и не гомологична первой фазе пищеварения у высокоорганизованных животных, тем не менее ее можно рассматривать как предвестник действительно кислотной фазы гидролиза.

Уменьшение размеров вакуоли является временным; в конце концов она вновь увеличивается, однако ее диаметр никогда не достигает исходной величины. При этом pH содержимого быстро повышается до 7.5—8.0, что, по-видимому, вызвано секрецией в вакуоль щелочных соков из окружающей цитоплазмы. Секрет, поступающий в вакуоль во время щелочной фазы, содержит протеазы, карбогидразы и липазы. Протеазы сходны с трипсином хордовых тем, что они активны в щелочной среде; пепсинподобных ферментов не обнаружено. Пищеварение в щелочной среде происходит очень быстро. По мере пищеварения, а также всасывания продуктов гидролиза и воды вакуоль уменьшается в размерах и, достигнув области анальной поры, содержит только непереваренные элементы. Имеются данные, что пищеварение (по крайней мере протеолиз) у парамеций не заканчивается в пищевой вакуоли, а продолжается в цитоплазме за счет содержащихся в ней катепсинов и дипептидаз.

У простейших других групп последовательность событий аналогична. В экстрактах цитоплазмы различных амеб обнаружены эндопептидазы, дипептидазы, карбогидразы, липазы, щелочная фосфатаза, часть которых, вероятно, секретируется в вакуоли. Однако, как и в случае парамеций, о месте синтеза и последовательности образования этих гидролаз известно мало.

4.3.2. Пищеварение у плоских червей

Для свободноживущих плоских червей характерно внутриклеточное пищеварение. Однако большинство животных этого типа способно и к внеклеточному пищеварению, а их пищеварительная система обладает признаками клеточной и региональной специализации в этом направлении. У большинства плоских червей передняя кишка специализирована для питания и заглатывания пищи, а пищеварение происходит в результате сочетания внутриклеточных и внеклеточных процессов.

Пищеварение может быть охарактеризовано на примере турбеллярий. Как водные, так и наземные животные являются плотоядными. Они захватывают пищу (олигохеты, ракообразные, насекомые, моллюски или водоросли) и удерживают ее, пока фаринкс не проникнет в тело жертвы. В этот момент железистые клетки фаринкса начинают секретировать эндопептидазу, способствующую проникновению фаринкса и расщеплению тела добычи, всасываемого фаринксом. При поступлении пищи в отдел, следующий за фаринксом, железистые клетки секретируют эндопептидазу с оптимумом pH 5.0, участвующую во внеклеточном пищеварении. Этот фермент сходен (если не идентичен) с эндопептидазой фаринкса. Он также во многих отношениях сходен с пепсином хордовых, за исключением того, что эндопептидаза активируется веществами, содержащими сульфгидрильные группы, и, следовательно, по этому показателю больше похожа на внутриклеточную эндопептидазу хордовых. Первая внеклеточная фаза гидролиза происходит в кислой среде и сводится к протеолизу. Однако неизвестно, идет ли он до конца и образуются ли при этом дипептиды и аминокислоты. Эндопептидаза расщепляет часть белков до полипептидов, что в конечном итоге превращает пищу в однородную массу, суспензированную в жидкостях тела самой добычи. Кроме внеклеточного пищеварения, в этот период отмечается значительный фагоцитоз и со временем вся пища переходит в фагоцитарные клетки.

Фагоцитоз осуществляется свободными дистальными краями клеток, поглощающих частицы подобно амебам. Первоначально довольно большие вакуоли в процессе внутриклеточного гидролиза (за счет всасывания воды в цитоплазму) уменьшаются, а содержимое их становится компактней и однородней. Отшнуровываясь, вакуоли двигаются в глубь клетки, а на их месте образуются новые.

Последовательность внутриклеточного гидролиза позволила идентифицировать и локализовать типы соответствующих ферментов. При всасывании воды из вакуоли в нее из цитоплазмы поступает кислый секрет, содержащий активную эндопептидазу. Последняя продолжает протеолиз, начавшийся внеклеточно эндопептидазой железистых клеток. Одновременно в цитоплазме и в меньшей степени в вакуолярной жидкости появляется кислая фосфатаза, возможно, имеющая отношение к расщеплению фосфатсодержащих компонентов пищи. Но более вероятно, что она каким-то образом связана с выработкой эндопептидазы (по-видимому, как компонент системы освобождения энергии). Действие этих ферментов может продолжаться в течение 18 ч после приема пищи. При этом белки расщепляются до полипептидов, а стенки клеток, ядерные мембраны и другие плазматические структуры, состоящие в основном из белков, растворяются, так что жиры и углеводы становятся доступными соответствующим ферментам.

К концу первой фазы внутриклеточного пищеварения действие эндопептидазы прекращается, а активность кислой фосфатазы уменьшается. Далее наступает вторая (щелочная) фаза пищеварения. Благодаря секреции щелочных соков pH содержимого вакуоли повышается до 7.0—7.5 и активность кислой фосфатазы как в цитоплазме, так и в вакуолярной жидкости сменяется щелочнофосфатазной. Возможно, на более поздних этапах внутриклеточного гидролиза она участвует также во всасывании продуктов реакции. Выделяемые в вакуоль экзопептидазы завершают протеолиз полипептидов, образовавшихся под действием эндопептидазы. Жировые и углеводные компоненты пищи гидролизуются липазами и карбогидразами соответственно.

Продукты внутриклеточного гидролиза всасываются из вакуоли в цитоплазму фагоцитарных клеток и оттуда с помощью диффузии переносятся к остальным частям тела, так как у турбеллярий нет сосудистой системы — обычной транспортной среды тела животного. Кишка у них разделена на сильно разветвленные переднюю и две задние ветви, так что пищеварительная область охватывает все тело. В итоге все ткани или органы находятся достаточно близко от места пищеварения даже у тех тропических видов, тело которых достигает значительных размеров. Непереваренные остатки пищи движениями цитоплазмы выпятится обратно к свободному дистальному краю фагоцитарных клеток. Здесь они выталкиваются в полость, присоединяются к остаткам внеклеточного пищеварения и выделяются наружу через ротовое отверстие, так как анальное отверстие у плоских червей отсутствует.

Анализ имеющихся сведений о пищеварении у организмов, стоящих на разных уровнях эволюционного развития, в том числе у млекопитающих, позволил прийти к следующему заключению. Несмотря на различия в организации животных, относящихся к разным типам, процессы пищеварения у них характеризуются общими чертами. В самом деле, схема И. И. Мечникова «эволюция от внутриклеточного пищеварения к внеклеточному» могла рассматриваться как эволюция от простого к сложному. Однако с использованием методов ультрамикроанализа показано, что как у наиболее высокоорганизованных, так и у простейших животных существует общая последовательность деградации пищевых веществ: первоначальный гидролиз белков в кислой среде в отсутствие всасывания. У высших животных и человека пища из желудка поступает в тонкую кишку, где pH из кислого становится нейтральным или слабощелочным и инициируется гидролиз основных групп пищевых веществ за счет ряда соответствующих ферментов. Этот процесс совмещается с интенсивным всасыванием. У простейших, хотя весь цикл переваривания осуществляется в одной вакуоли, на определенном этапе также происходит сдвиг pH в щелочную сторону, появление в вакуоли различных ферментов, сходных с теми, которые свойственны высшим организмам, а также интенсификация всасывания. Наконец, электронно-микроскопический анализ демонстрирует, что механизмы секреторного процесса, в частности у тетрахимены, напоминают таковые у высших животных, например в клетках поджелудочной железы млекопитающих. Таким образом, у простейших не только доказана секреция, но и сходство этого механизма с аналогичным механизмом высших организмов. Характеристика кишечных эпителиев и секреторных процессов у низших животных весьма существенна, так как кишечные эпителии этих организмов являются филогенетическими предшественниками секреторных эпителиев таких важных органов высших организмов, как поджелудочная железа, печень и тонкая кишка.

4.4. Эволюция пищеварительных функций

Обнаружение мембранного пищеварения заставило пересмотреть концепции эволюции пищеварительных функций, так как они построены на представлениях о двух основных типах пищеварения — полостном и внутриклеточном. До 60-х гг. и даже позднее эволюция пищеварения представлялась в виде простой схемы, которая может быть выражена словами М. Флоркэна (1947): «Все, что известно относительно процессов, в которых участвуют пищеварительные гидролазы, говорит за то, что внутриклеточное пищеварение следует рассматривать как примитивное, а внеклеточное — как усовершенствованное, достигнутое в ходе эволюции... Внеклеточное пищеварение... наблюдается у разных групп многоклеточных, за исключением губок, тихоходок и брахиопод. Оно полностью вытесняет внутриклеточное пищеварение у круглых червей, мшанок, аннелид, многоножек, ракообразных, насекомых, головоногих моллюсков, оболочников и позвоночных» (с. 51).

Однако исследования, проведенные с использованием современных научных методов и с учетом мембранного пищеварения, приводят к выводу, что на всех уровнях организации животных (от простейших до млекопитающих) встречаются все три основные типа пищеварения. Справедливо лишь указание, что у высокоорганизованных форм внутриклеточное пищеварение как механизм усвоения пищи утрачивает свое значение.

Один из возможных путей эволюции пищеварения заключается в том, что полостное и мембранное пищеварение представляли собой результат совершенствования и дифференциации внутриклеточного гидролиза. Такая точка зрения возникла еще в 1966 г. в ходе дискуссии между американским физиологом Т. Г. Уилсоном и мною. Однако анализ результатов исследований нашей лаборатории и данных литературы заставил нас прийти к выводу, что ни один из трех основных типов пищеварения не может считаться филогенетически более новым или более древним. Каждый из этих механизмов встречается на всех уровнях эволюционной лестницы. Скорее можно думать, что именно внутриклеточное пищеварение на основе фагоцитоза и пиноцитоза является менее древним, чем внеклеточное дистантное и мембранное.

Детальные исследования особенностей внутриклеточного пищеварения показали, что в этом процессе на молекулярном уровне комбинируются элементы как микрополостного, так и мембранного гидролиза. Следовательно, этот тип пищеварения является отнюдь не примитивным вариантом, а высокоспециализированным механизмом, в котором сочетаются захват пищи и ее последовательная обработка по типу полостного и мембранного гидролиза с последующим транспортом освобождающихся мономеров.

Важным аргументом для пересмотра классических взглядов на эволюцию пищеварения служат также наблюдения, касающиеся того, что замена одного типа пищеварения другим (внутриклеточного на внеклеточное, и наоборот) может происходить как адаптация к определенному типу питания.

После формирования химической зоологии было показано, что уже у самых примитивных многоклеточных организмов встречается не только внутриклеточное, но и полостное пищеварение (как эффективный механизм начальных стадий гидролиза пищевых биополимеров), а также, возможно, мембранное. Последний тип пищеварения обнаружен большим числом исследователей у многих организмов. Кроме того, у ряда животных продемонстрирована важная роль в усвоении пищевых веществ симбионтного и аутолитического пищеварения.

Уже давно не вызывает сомнений тот факт, что многоклеточные организмы произошли в результате объединения, а затем и интеграции простейших. В XIX в. наибольшее признание получили две теории происхождения многоклеточных организмов: теория гастреи Э. Геккеля и теория фагоцителлы И. И. Мечникова. Согласно теории И. И. Мечникова, исходной формой многоклеточных было гипотетическое животное — фагоцителла (другое название — паренхимелла). Фагоцителла состоит из слоя поверхностных клеток — эктодермы, или кинобласта, и внутренней клеточной массы — паренхимы, или фагоцитобласта. Кинобласт выполняет функцию ограничения, внешнего обмена и движения; фагоцитобласт — внутреннего обмена и внутриклеточного пищеварения. Из кинобласта и фагоцитобласта в ходе эволюции возникло вое многообразие форм тканей многоклеточных животных.

Предполагалось, что гипотетические предки многоклеточных представляли собой шаровидную ассоциацию жгутиковых, объединенных в единое целое внеклеточным веществом. Однако скоро путем инвагинации части клеток, как полагал Э. Геккель, или путем миграции клеточных элементов в глубину шара, как считал И. И. Мечников, образуется первичная пищеварительная полость с одним ротовым отверстием. Таким образом, можно видеть, что в обеих теориях большое место отводится возникновению первичной кишечной полости — гастроцеля.

Однако во второй половине XX в. было сделано интересное открытие. Речь идет об особом типе животных — трихоплаксе. Обнаружение трихоплакса существенно повлияло на представления о происхождении животного мира, а также многих структур и функций (в том числе пищеварительных) у многоклеточных животных. Трихоплакс — примитивный организм, по форме напоминающий небольшую тонкую пластинку (не более 4 мм в поперечнике). Вероятно, это наиболее древний и примитивный многоклеточный организм, у которого отсутствует даже базальная мембрана, отделяющая поверхностные слои от внутреннего, и внутренняя, знтодермальная, пищеварительная полость (рис. 23). Способность амебоцитов к фагоцитозу свидетельствует о наличии внутриклеточного пищеварения. Но еще более важно, что трихоплакс, по-видимому, обладает развитым внеклеточным пищеварением.

Пищеварение у трихоплакса происходит следующим образом. Животное вентральной поверхностью тела покрывает пищевые субстраты (например, часть водного растения, скопления простейших) и изливает в образовавшуюся полость пищеварительный секрет, всасывая продукты гидролиза и, возможно, поглощая частично разрушенный детрит. Хотя вентральный эпителий не содержит микроворсинок, его губчатая поверхность может играть роль в переваривании пищи и во всасывании продуктов ее расщепления. Важно, что клетки вентрального эпителия способны к истинной секреции с помощью механизмов, характерных для высокоорганизованных животных, т.е. с образованием (при участии аппарата Гольджи) секреторных гранул, заполненных секретом, и последующим их экзоцитозом.

Рис. 23. Организация трихоплакса.

А — изменения формы тела трихоплакса через каждые 10 мин; Б — поперечный разрез трихоплакса; В — дробление яйца трихоплакса. 1 — спинной эпителий; 2 — мезенхимные клетки среднего слоя; 3 — брюшной эпителий; 4 — пищеварительная вакуоль в мезенхимной клетке.

Наличие внеклеточного переваривания у наиболее примитивных многоклеточных организмов не следует считать парадоксом или скачком в наших представлениях. Уже сравнительно давно были приведены аргументы в пользу того, что механизм истинной секреции является древним и существует у бактерий и простейших.

Таким образом, накопленная информация заставляет отказаться от общепринятой схемы эволюции от внутриклеточного пищеварения к внеклеточному. Это означает, что основные механизмы пищеварения и ассимиляции пищевых биополимеров сформировались в ходе эволюции очень рано. Поэтому вопрос о том, как и на какой основе возникли основные типы пищеварения, скорее относится к проблеме происхождения жизни и сегодня не имеет удовлетворительного ответа.

4.5. Теории происхождения внешнейи внутренней секреции

Существует две основные теории происхождения секреции. Рассмотрим их отдельно.

4.5.1. Теория происхождения внешней секреции Иордана

Эта теория рассматривает пути гипотетического перехода от внутриклеточного пищеварения к внеклеточному. X. Иордан полагал, что высокоспециализированная голокриновая секреция ферментов и других биологически активных веществ в полость пищеварительного тракта возникла лишь у многоклеточных организмов на сравнительно поздних этапах эволюции. Первоначально пищеварение в кишечной полости происходило под влиянием ферментов, поступающих в просвет кишки в результате естественного разрушения и отмирания части эпителиальных клеток и последующей солюбилизации внутриклеточных ферментов при деструкции этих клеток (рис. 24). По мнению Иордана, такая форма пищеварения была более выгодна для организма, чем внутриклеточное пищеварение. Он назвал эту форму секреции морфокинетической, так как выделение пищеварительных ферментов и секретов связано с изменением структуры клеток. В отличие от этого я предложил назвать такую форму секреции морфонекротической, так как поступление ферментов в полость кишки связано с гибелью клеток. Таким образом, согласно Иордану, наиболее древним типом пищеварительных соков была цитоплазма отторгаемых клеток.

Рис. 24. Схематическая интерпретация перехода от морфокинетической к морфостатической секреции в ходе эволюции согласно теории Иордана. 1—морфонекротическая (голокриновая), II—морфокинетическая (апокриновая) и III — морфостатическая (мерокриновая) стадии секреции. 1—з — последовательные состояния секреторной клетки при разных типах секреции; а, б — этапы выхода ферментов в полость пищеварительного аппарата.

Следующей ступенью эволюции секреторного процесса являлось отторжение лишь апикальной части клетки с ее последующей регенерацией. Я полагаю, что этот апокриновый тип секреции и является действительно морфокинетическим. Дальнейшее развитие секреторного процесса заключалось в уменьшении структурных нарушений клетки при секреции, что характерно для морфостатической (мерокриновой) секреции высших позвоночных. Можно представить себе, что в конце концов должен возникнуть такой тип клеток, секреторная деятельность которых протекает без значительного изменения их структуры. А это уже представляет собой морфостатическую секрецию, свойственную высшим позвоночным.

Мысль Иордана, что первоначально секреция была связана с гибелью целой клетки, а затем лишь с гибелью ее части (которая по мере совершенствования функции становилась все меньше), подкупает своей простотой. Между тем морфонекротическая и морфокинетическая секреция — явления совершенно различного порядка. Можно представить себе переход морфо-кинетической секреции в морфонекротическую: клетки при некоторых условиях начинают отторгать при секреции вое большее количество цитоплазмы, что в конечном итоге должно привести к преобразованию морфокипетической секреции в морфонекротическую. Но как гибель неспециализированной клетки превращается в работу живой, высокоспециализированной клетки, понять трудно. Действительно, морфонекротическая секреция не предполагает высокой дифференциации структур и функций клеток, тогда как морфокинетическая секреция требует достаточно высокой и своеобразной специализации эпителиальных клеток. Но как только мы согласимся с этим, возникает вопрос: какие менее специализированные формы работы клетки предшествовали морфокинетичеокой секреции? Теория Иордана не дает ответа на этот вопрос.

Следует предположить, что морфонекротическая секреция не могла быть основой для возникновения морфокинетической, а последняя настолько специализирована, что сама имеет длинную историю. Но можно согласиться с Иорданом в том, что морфостатическая секреция возникла из функций, свойственных малодифференцированным структурам простейших животных.

Другим недостатком теории X. Иордана является ее преимущественно морфологическая сущность. В настоящее время признано, что эволюция структуры связана с изменением направления или интенсивности функционирования органа. Наконец, теория Иордана кажется устаревшей уже по одному тому, что связывает появление секреции с высокими стадиями эволюции, тогда как в последние десятилетия появилось большое число работ, доказывающих наличие истинной секреции у простейших и бактерий.

Теория Иордана могла бы считаться доказанной, если бы удалось обнаружить, что в ходе эволюции морфонекротическая секреция сменяется морфокинетической, а последняя — морфостатической. Но на всех этапах эволюции мы обнаруживаем существование всех трех основных типов секреции, что позволило высказать не одно, а несколько предположений. Например, можно считать, что морфонекротический, морфокинетический и морфостатический типы секреции являются тремя различными направлениями развития секреторной деятельности. Можно также предположить, что морфонекротическая секреция возникла из морфокинетической и т.д.

4.5.2. Экскреторная теория происхождения внешней и внутренней секреции

Более четверти века назад мною было высказано предположение относительно происхождения секреторной деятельности пищеварительных желез. Оно в некотором отношении было противопоставлением теории Иордана и казалось полезным при объяснении природы отдельных феноменов, связанных с работой пищеварительных желез. Согласно экскреторной теории, секреция возникает из неспецифической экскреции, которая существует на самых ранних стадиях эволюции живого как элемент обмена веществ между вне- и внутриклеточной средами (рис. 25). В условиях такого обмена осуществляется удаление продуктов катаболизма. Однако этот процесс не идеален даже у высокоорганизованных форм, так как вместе с продуктами распада во внешнюю по отношению к клетке среду попутно выделяется некоторое количество биологически полезных и активных молекул. Их молекулярная масса варьирует и может достигать значительной величины, например у ферментов, некоторых гормонов и витаминов. Неизбежная «потеря» полезных материалов может при соответствующих условиях стать полезным признаком. В результате естественного отбора на основе усиленного выделения определенного продукта может происходить формирование секреторного процесса.

Оказалось, что экскреторная теория способна объяснить такое парадоксальное явление, как потеря ферментов и гормонов с мочой. Она объясняет также внутреннюю секрецию пищеварительных ферментов и экзосекрецию гормонально активных веществ в составе пищеварительных соков. Формирование секреторного процесса на базе неспецифической экскреции, по-видимому, может сводиться к следующему. Полезным признаком становится выделение во внешнюю или во внутреннюю среду организма определенного типа молекул, а их синтез и экспорт становятся доминирующей функцией данного органа или типа клеток.

Рис. 25. Схематическая интерпретация формирования различных типов внешней и внутренней секреции в ходе эволюции на основе неспецифической экскреции.

Схема — для многоклеточных организмов, ряды СФ и СР справедливы также для одноклеточных. ЭН — неспецифическая экскреция, ряды СФ и СР — формирование внешней секреции ферментов (СФ) и регуляторов (СР); ряды ИФ и ИР — формирование соответственно внутренней секреции ферментов и регуляторов. Черные пружки — ферменты, светлые — молекулы регуляторов; треугольники — молекулы экскретируемых веществ.

На основе экскреторной теории сделан ряд предсказаний. Во-первых, истинная секреция возможна уже у простейших, в частности у амеб при их переходе от свободного к паразитическому образу жизни. Во-вторых, внешняя и внутренняя секреция могут формироваться многократно в процессе филогенеза на основе неспецифической экскреции в различных по своему происхождению структурах. Кроме того, в ходе эволюции внешняя и внутренняя секреция могут превращаться одна в другую путем сравнительно небольших транспозиций. По-видимому, экскреторная теория происхождения секреторных процессов может объяснить наличие в составе пищеварительных соков таких необычных веществ, как групповые и типовые антигены, ферменты, обеспечивающие дыхание и окислительное фосфорилирование, а также ряд других ферментов.

Вероятно, морфонекротическая секреция является особым направлением эволюции пищеварительной системы или ее некоторых отделов, тупиковой ветвью развития секреции. Морфонекротическая секреция в известных случаях оказалась настолько эффективной, что сохранилась даже у наиболее высокоорганизованных животных. Так, например, кишечная секреция позвоночных происходит в основном по морфонекротическому типу. Что касается морфокинетической секреции, то ее происхождение остается неясным. Нельзя исключить, что по крайней мере в некоторых случаях морфокинетическая секреция возникает из морфостатической.

Итак, экскреторная теория является единственной, способной объяснить с единых позиций происхождение как внешней, так и внутренней секреции и предсказать ряд феноменов, обнаруженных впоследствии. Становится ясно, что внешняя и внутренняя секреция — родственные процессы, причем некоторые органы (слюнные и поджелудочная железы, желудок, тонкая кишка) обладают как внешнесекреторной, так и внутрисекреторной функциями.

Развитие экскреторной теории приводит на первый взгляд к определенным трудностям. Так, в ходе эволюции выделяется много метаболитов, в связи с чем возникает вопрос, при каких условиях и под влиянием каких факторов некоторые из них становятся жизненно важными регуляторами типа гормонов, кейлонов и т.д. При анализе условий возникновения гормональных эффектов можно допустить экскрецию метаболитов, не имеющих мишени и приобретающих ее на более поздних стадиях эволюции, когда формируется соответствующая гормональная система. Первоначально это может быть побочным эффектом. По крайней мере один подобный случай описан М. Флоркэном в 1947 г., который сообщил, что у асцидий содержится гормон окситоцин, действующий лишь на структуры позвоноч-ных животных. Однако возможно существование мишеней, которые в течение длительного времени остаются без вещества-регулятора. Не исключено, что время, разделяющее появление этих компонентов, может исчисляться миллионами лет.

Экскреторная теория позволила преодолеть возражение М. Боданского, заключающееся в том, что одновременное возникновение в ходе эволюции гормона и соответствующего рецептора кажется невероятным. С точки зрения развиваемой теории возможно появление рецепторов без регуляторов и регуляторов без рецепторов. Такая парадоксальная ситуация подтверждена экспериментальными находками. В частности, удалось найти пример внешней секреции (а не инкреции) гормона, или биологически активного фактора. Такой феномен обнаружен нами при анализе химусных эффектов — так называемое контактное торможение пролиферации кишечных клеток химусными факторами.

4.6. Происхождение пищеварения

При обсуждении происхождения и эволюции различных форм пищеварения допускается традиционная ошибка. Она заключается в том, что почти всегда обращается внимание на взаимоотношения полостного, внутриклеточного и мембранного типов пищеварения. Вместе с тем каждый из этих типов является результатом длительной и сложной эволюции. Поэтому правильнее рассматривать древнейшие первичные формы пищеварения. По всей вероятности, наиболее древние существа не обладали сложной внутренней организацией и аутотрофия возникла сравнительно поздно. Самые древние животные получали органические вещества в виде мономеров из окружающей среды и конденсировали их, преобразуя в структуры своего тела. Наиболее древними организмами (назовем их условно) были первичные гетеротрофы. Эта точка зрения согласуется с данными, касающимися происхождения жизни. При благоприятных условиях уже на этой стадии развития излишки органических материалов могли накапливаться в виде своеобразных депо. Возможно, эти депо не были четко дифференцированы, а представляли собой какие-то структуры, используемые при недостаточном притоке органических веществ из окружающей среды. Для мобилизации депо и служили гидролитические ферменты, наиболее древние из всех известных. Значительно позднее возникло питание за счет сложных полимерных веществ органического происхождения, требовавшее пищеварительных процессов, которое можно было бы охарактеризовать как вторичную гетеротрофию. Ферменты, мобилизующие депо (и некоторые другие делолимеразы), и явились, по-видимому, исходными для формирования первичного пищеварения.

Можно допустить, что гидролазы, первично выполняющие функцию мобилизации депо, постепенно начинали осуществлять также функции гидролиза пищевых полимеров, находящихся в окружающей среде. Наиболее примитивное полостное пищеварение могло бы реализоваться за счет ферментов, диффундирующих в окружающую среду. Гидролиз субстратов, проникающих в цитоплазму, возможно, был первичным внутриклеточным пищеварением, а расщепление веществ, контактирующих с поверхностью, — первичным мембранным пищеварением. В зависимости от обстоятельств каждый из этих типов пищеварения мог стать доминирующим.

Выше неоднократно отмечалось, что гидролиз крупных молекул эффективно осуществляется главным образом ферментами, растворенными в жидкой фазе. Это могло быть фактором, способствующим развитию полостного пищеварения. Напротив, питание мелкими молекулами должно было благоприятствовать развитию мембранного и внутриклеточного типов пищеварения.

Внутриклеточное пищеварение предполагает развитие специального аппарата, обеспечивающего образование пищеварительных вакуолей, что делает его более сложным, чем полостное и мембранное пищеварение. Можно допустить, что современное внутриклеточное пищеварение возникло на базе полостного и мембранного как результат объединения этих типов гидролиза за счет эндоцитоза. Такое усложнение могло быть полезным тогда, когда переваривание крупных молекул или частиц пищи не могло быть реализовано за пределами клетки. Подобная ситуация существует, например, для одноклеточных организмов, живущих в больших объемах жидкости. В этом случае секреция в окружающую среду бесполезна в связи с разведением секретируемых ферментов, а мембранное пищеварение неэффективно в силу недоступности гидролизуемых связей больших молекул. Не менее важно, что внутриклеточное пищеварение — это способ захвата, переработки и депонирования пищи. Тогда фаго- и пиноцитоз будут представлять собой не только пищеварительные, но и пищедобывательные процессы.

4.7. Принцип эффективности как основа естественных технологий

Насколько известно, наибольшие затруднения встречаются не тогда, когда требуется объяснить появление признака, полезного в данных условиях, а в тех случаях, когда необходимо понять исчезновение структуры или функции, переставшей приносить пользу при соответствующих изменениях условий жизни. В самом деле, легко понять, почему при переходе животного от мясной пищи к растительной наблюдается адаптация к пище растительного происхождения: ранее побочный эффект становится полезным, и этот признак отбирается в ходе эволюции. Неясно, однако, почему происходит снижение адаптации к пище животного происхождения, которая сама по себе не представляется вредным признаком. Этот вопрос не может считаться частным, так как наиболее общей закономерностью эволюции является усиление полезных эффектов и ослабление побочных (мы не рассматриваем те случаи, когда при изменении условий существования ранее полезные признаки становятся вредными). Еще Ч. Дарвин в 1859 г. ставил этот вопрос, подчеркивая, что проблема «атрофии ненужного» требовала решения. Он писал: «Жоффруа старший и Гёте почти одновременно провозгласили свой закон возмещения или уравновешивания роста, который Гёте выразил так: "Для того чтобы расщедриться в одном направлении, природа вынуждена скупиться в другом". Я полагаю, что это в известном смысле применяется и к нашим домашним породам: если питательные соки притекают в избытке к одному органу, они редко притекают, во редком случае в избытке, к другому органу; трудно добиться, чтобы корова давала много молока и в то же время легко жирела. Те же разновидности капусты не дают обильной, питательной листвы и обильного сбора семян, дающих масло. Когда в наших плодах семена атрофируются, плоды выигрывают в величине и качестве... Я подозреваю, что многие из случаев компенсации, которые предъявлялись, а равно и некоторые другие факты, могут быть подведены под более широкое начало, именно стремление естественного отбора постоянно соблюдать экономию по отношению ко всем частям организации. Если при изменившихся жизненных условиях орган, прежде полезный, становится менее полезным, то естественный отбор будет благоприятствовать его сокращению, так как для особей будет выгодно не трогать питательного материала на построение бесполезной части...» (с. 185).

Современная физиология позволяет более четко, чем во времена Дарвина, ответить на вопрос, почему мельница эволюции перемалывает все бесполезное. Действительно, полезна не функция, а вызываемый ею эффект. Можно сказать больше: сама по себе функция вне связи с полезным эффектом оказывается вредной. Об этом свидетельствует, например, атрофия околоушных желез, протоки которых выведены на наружную поверхность щеки. Такие железы более не дают полезного эффекта, не участвуют в процессе смачивания пищи и атрофируются так же, как они атрофируются в ходе эволюции у некоторых животных, которые перестают нуждаться в дополнительном увлажнении пищи. Вредность бесполезного органа заключается в том, что можно назвать расходами, связанными с поддержанием и реализацией его функции. В самом деле, для функционирования слюнных желез необходим аппарат, обеспечивающий доставку питательных веществ и кислорода. Это предполагает некоторые дополнительные мощности органов, осуществляющих газообмен, экскрецию, питание, движение крови. Все это вновь требует значительной работы мышечного аппарата для перемещения тела в пространстве, поисков пищи и т.д. Таким образом, любая функция не только дает некоторую совокупность полезных и побочных эффектов, по и связана с расходом полезных эффектов других систем. С этой точки зрения орган или клетка, не дающие полезных эффектов, должны редуцироваться и элиминироваться в ходе естественного отбора как вредный признак. В этом плане существование слюнных желез у большинства птиц и млекопитающих обусловлено тем, что биологическая полезность увлажнения и ослизвения пищи «оправдывает» расходы, связанные с наличием секреторного аппарата. Понятна также неизбежность атрофии слюнных желез у болотных птиц и водных млекопитающих.

Увеличение полезного эффекта может быть достигнуто за счет возрастания массы функционирующих элементов, но это происходит редко. Например, эффективность кишечного пищеварения могла бы быть повышена в результате удлинения кишечника, а мощность желудка — путем увеличения его объема. При этом должна была бы расти мощность не только секреторного, но и мышечного аппаратов. Однако если отбор идет по эффектам секреторной функции, то наблюдается гипертрофия слизистой без заметного увеличения мышечного слоя. Такое направление эволюции могло зависеть от действия отбора одновременно как в сторону увеличения полезного эффекта, так и в сторону уменьшения биологической стоимости функции, т.е. в соответствии с принципом эффективности.

Таким образом, эволюция функций определяется не просто принципом эффекта, а принципом эффективности. Развитие идет не по линии простого возрастания полезного эффекта, а по пути специализации функций. Благодаря этому достаточно полезный эффект сочетается с экономичностью функции. Так, по-видимому, возник прерывистый тип секреции слюнных желез. Непрерывное слюноотделение из мелких желез первоначально обеспечивало лишь увлажнение слизистой ротовой полости. Увлажнение пищи в это время было побочным эффектом, который затем превратился в главный. Однако возрастание интенсивности секреции, полезное во время еды, вне еды стало вредным. В результате возникло два типа слюнных желез:

1) мелкие, сохранившие первоначальную функцию;

2) крупные, работающие преимущественно при действии пищевых раздражителей. Спонтанная секреция обычно невелика и может рассматриваться как побочный эффект. Однако при определенных условиях она может оказаться полезной и послужить исходным пунктом для возникновения секреции непрерывного типа.

Секреторные клетки выделяют, как правило, большое количество различных ферментов. Однако в ходе эволюции усиливались синтез и секреция лишь тех ферментов, которые дают полезный эффект. На этом фоне происходила редукция ферментных систем, синтез которых был связан с определенными обменными расходами, но не компенсировался полезным эффектом. Именно так, вероятно, происходит специализация ферментативной функции у различных животных, а также в разных отделах пищеварительного тракта одного животного. Усиление функции (даже высокоспециализированной) повышает ее эффективность лишь до определенных границ. Дальнейшее возрастание хотя и увеличивает полезный эффект (например, скорость переваривания пищи), но прирост последнего оказывается меньшим, чем прирост «стоимости» функции. Таким путем достигается высокая степень соответствия функции органа условиям существования. Почему же, однако, функция не достигает беспредельного совершенства, даже если оно теоретически возможно?

Вернемся к так называемым реадаптивным признакам секреторной деятельности. Несмотря на совершенство клеточных мембран, без пользы для пищеварения теряется некоторое количество гидролитических ферментов. Как совместить эти потери с представлениями о большой эффективности и экономичности секреторного аппарата? Можно предположить, что в ходе эволюции избирательность секреторных процессов совершенствовалась, а побочный эффект, например выделение пищеварительных ферментов вне связи с пищеварением, уменьшался. Однако этот процесс мог иметь место лишь до тех пор, пока полезный эффект от уменьшения ферментных потерь был больше, чем «стоимость» аппарата, ограничивающего эти потери. По-видимому, дальнейшее ограничение ферментных потерь для организма неоправданно с точки зрения принципа эффективности. По этой же причине никогда не встречается полное отсутствие спонтанной секреции. Может быть, полный покой железистого аппарата является столь же «дорогостоящим» и биологически неэффективным процессом, как и напряженная секреторная деятельность вне пищеварения.

***

Первоначальная идея о том, что в прогрессивной эволюции внутриклеточное пищеварение как более примитивное заменяется внеклеточным, не получила подтверждения в современных сравнительно-физиологических и биохимических исследованиях. Действительно, во всем диапазоне живых систем — от бактерий до млекопитающих имеют место все три типа пищеварения: внеклеточное, внутриклеточное и мембранное. Эти типы пищеварения, комбинируясь, обеспечивают все разнообразие естественных технологий переработки и усвоения пищи. Точно так же на всех этапах эволюции можно обнаружить основные механизмы транспорта, сформировавшиеся очень рано. Интересно, что внутриклеточное пищеварение фагоцитозного и пиноцитозного типов, считавшееся наиболее древним, в действительности появляется лишь у эукариотов.

Для понимания общих закономерностей ассимиляции большое значение имеет тот факт, что не удается проследить прогрессивной эволюции молекулярных машин. Напротив, начиная с бактерий и кончая млекопитающими сохраняются как принципы функционирования, так и характеристики ферментных и транспортных систем. Причины такой стабильности будут рассмотрены ниже.

Наконец, анализ эволюции пищеварительных функций позволяет утверждать, что у наиболее древних организмов они не были идеальными. Однако пищеварительные функции не стали идеальными и у высших организмов, как это можно было бы ожидать, следуя традиционному представлению о путях прогрессивной эволюции. Если принять, что естественные технологии живых систем всегда не идеальны, то возможно новое и более глубокое понимание не только принципов организации, но и механизмов эволюции живых систем. Эта проблема подробно рассматривалась мною на протяжении 25 лет в связи с анализом принципа эффективности как основного для интерпретации тенденции эволюции вообще и механизмов действия естественного отбора в частности. Неидеальность живых систем — результат того, что эволюция (в той мере, в какой она контролируется естественным отбором и тенденцией к совершенствованию) обусловлена не только накоплением полезных признаков, но и наличием сопряженных побочных эффектов. Если первое должно было бы в конце концов привести к формированию идеальных систем, то второе делает это недостижимым.

Наконец, следует учитывать так называемую метаболическую стоимость любой структуры и функция, определяемую энергетическими, пластическими и другими затратами на ее поддержание, регулирование и т.д. В результате этого любая живая система в ходе эволюции стремится к некоторому пределу, который зависит от соотношения положительного биологического эффекта и метаболической стоимости, имеющей отрицательную биологическую ценность. Кроме того, побочные эффекты также требуют определенных энергетических и пластических расходов. Однако благодаря дублированному контролю живые системы в ходе эволюции становятся весьма чувствительными как к внешним и внутренним изменениям, так и к их обобщенной полезности для организма в целом. Действительно, уменьшение полезности биологического эффекта сразу же приводит к преобладанию редукционных тенденций естественного отбора, вследствие которых орган или другая структура будут уменьшаться.

Таким образом, изучение эволюции пищеварения привело к двум важным выводам: 1) прогрессивная эволюция и адаптационные эволюционные перестройки происходят на основе некоторых мало меняющихся фундаментальных процессов; 2) эволюционные преобразования реализуются на основе принципа эффективности.

Итак, эволюция пищеварения основана на различных сочетаниях и способах использования преимущественно трех основных типов пищеварения (внеклеточного, внутриклеточного и мембранного), сформировавшихся очень давно. Я понимаю возможность вопроса о существовании эволюции вообще и попытаюсь ответить на него позднее. Сейчас замечу лишь следующее. Единство трофических механизмов свидетельствует, во-первых, что эволюция происходит на уровне общности фундаментальных механизмов и, во-вторых, что такая общность — обязательное условие круговорота веществ в природе и трофических связей, т.е. поддержания жизни на планетарном уровне.

Исследование процессов экзотрофии в эволюционном аспекте приводит к неожиданному результату. Чем глубже мы проникаем в сущность этих процессов, тем меньше становятся различия в наиболее фундаментальных характеристиках пищеварительных и транспортных систем у высокоорганизованных и примитивных форм организмов. Во многих отношениях невозможно сказать, в чем заключается результат прогрессивной эволюции. Речь идет не об отрицании эволюции вообще, а о том, что ее неопровержимым результатом является фантастическое многообразие форм живых существ. Обнаруживаемое единство принципов функционирования, напротив, служит важнейшим условием быстрой и конструктивной эволюции, а также условием жизни как планетарного явления.

Глава 5.

УНИВЕРСАЛЬНЫЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ БЛОКИ КАК ОСНОВА ОРГАНИЗАЦИИ СЛОЖНЫХ ФУНКЦИЙ

Анализ процессов пищеварения и транспорта на современном уровне и в особенности эволюции этих процессов открывает новые горизонты для понимания принципов организации сложных биологических систем и физиологических функций. В этой главе рассмотрен один из наиболее фундаментальных принципов естественных технологий — принцип блочности (см. также гл. 8). Долгое время я обдумывал этот принцип и подвергал его сомнению. Потребовались многократные повторения фактов, для того чтобы принцип организации сложных биологических систем на основе комбинирования ограниченного числа универсальных функциональных блоков перестал мне казаться противоречащим неисчерпаемому многообразию живых систем и их индивидуальной и эволюционной адаптивности. Более того, при построении взаимодействующих различными способами биологических систем лишь блочная организация дает им возможность существовать длительное время. Следует иметь в виду, что принцип блочности основан на экспериментальных данных, а не на чисто теоретических предпосылках. Поэтому целесообразно сопоставить факты, которые неизбежно приводят к выводу, что в основе организации всех живых систем и реальных физиологических функций, а также их эволюции лежит комбинирование универсальных функциональных блоков, реализующих различные элементарные функции и операции.

Любой физиологический процесс состоит из определенной последовательности событий, которые в большинстве случаев могут быть разделены на более простые операции. В конце концов мы подойдем к таким

операциям, или функциям, которые могут быть рассмотрены как элементарные. Современная революция в биологии позволила понять элементарные функции специализированных клеток и приблизиться к пониманию и расшифровке болезней сердца, пищеварительных органов, эндокринных желез, легких, почек, мозга и т.д. Одно из таких направлений, которое можно обозначить как частную молекулярную физиологию, привело к развитию концепции универсальных функциональных блоков как основе построения специализированных систем и эволюции функций.

5.1. Концепция универсальных функциональных блоков. Общие положения

Суть концепции, охарактеризованной мною в 1985 г., сводится к следующему.

1. Различные функции, в том числе специализированные, выполняемые клетками различных тканей и органов высших организмов, складываются из элементарных функций, реализуемых определенными комбинациями ограниченного числа функциональных блоков — молекул или надмолекулярных комплексов. Эти стандартные блоки, сочетаясь между собой и распределяясь в разных количественных соотношениях и в разных отделах клеток и органов, обеспечивают их специализацию.

2. Эволюция одноименных структур связана с перераспределением функциональных блоков, которые близки или идентичны у организмов, стоящих на разных уровнях эволюционной лестницы.

3. Изменения функциональных эффектов клеток и органов также связаны с перераспределением функциональных блоков.

Для понимания функций звено, обозначаемое как функциональный блок, имеет фундаментальное значение. В первом приближении может быть выделено несколько типов функциональных блоков: 1) транспортные блоки, т.е. блоки, участвующие в переносе различных молекул: насосы, каналы, мобильные переносчики, связывающие белки и т.д.; 2) энергизирующие блоки, т.е. системы, снабжающие энергией эффекторные блоки, выполняющие транспортные, сократитель-ные или рецепторные функции; 3) ферментные блоки, т.е. структуры, реализующие гидролитические функции; 4) сократительные блоки, т.е. блоки, способные к изменению длины или положения относительно других блоков, например в актомиозиновом комплексе; 5) рецепторные блоки, которые во многих случаях имеют олигомерную структуру и состоят из нескольких первичных блоков — акцепторного, медиирующего и транслирующего; нередко существуют интегрирующие блоки, обеспечивающие соединение перечисленных блоков; 6) специализированные химические сигналы — гормоны, нейротрансмиттеры, медиаторы, которые могут быть также рассмотрены как специализированные блоки; 7) комбинированные блоки высшего порядка, которые могут быть образованы из одного или нескольких функциональных блоков более низкого иерархического уровня, или порядка (например, натриевый насос, в сущности являющийся олигомерным комплексом); 8) специально организованные системы функциональных блоков, выполняющие «сложные элементарные» специализированные функции (например, эндо- и экзоцитозы).

Структура функциональных блоков в одних случаях представляет собой молекулы, в других — надмолекулярные комплексы, а иногда несколько самостоятельных, хотя и взаимосвязанных молекул. Функциональным блоком может быть и часть определенной молекулы, например каталитический домен фермента. Для реализации некоторых элементарных функций (например, рецепторных, ферментативных, антигенных) достаточно небольших участков молекул — доменов. Для проявления ряда других функций (например, эндо- и экзоцитозов) требуется значительное число различных молекул, организованных определенным образом. Следовательно, функциональный блок — это структура, связанная с функцией, т.е. понятие физиологическое.

Благодаря развитию молекулярной биологии и исследованиям физиологии и биохимии отдельных систем на клеточном и молекулярном уровнях появились сведения, что различные высокоспециализированные функции — всасывание, секреция и др. — реализуются с помощью сходных или даже идентичных функциональных блоков. Функциональная и структурная близость таких блоков обнаружена у организмов, стоящих на различных ступенях эволюционной лестницы. Эго противоречит доминирующему ранее мнению, что специализированные функции являются результатом деятельности молекулярных машин, приспособленных для реализации именно этих функций. В пользу такой точки зрения принято приводить органную и клеточную специфичность белков, огромное число изоферментов, изогормонов и т.д. Согласно развиваемой концепции, уникальные выоокоспециализированные системы, осуществляющие определенные функции, состоят из универсальных блоков. Высокая эффективность, специфичность и функциональное своеобразие таких систем в конечном итоге достигаются в результате сочетания блоков в пространстве и времени. Такой принцип организации функционирования в биологии является одним из наиболее распространенных. Он, в частности, лежит в основе первичной структуры белков, нуклеиновых кислот, углеводов и т.д. Функциональные блоки, реализующие как общие, так и специализированные функции, в сущности стандартны и их число сравнительно невелико.

Идентификация некоторых элементарных функций и осуществляющих их структур, казалось бы, подтверждала бесконечную изменчивость функциональных блоков, из которых собирались такие сложные специализированные системы, как секреторная или пищеварительно-всасывательная клетки. Однако исследование последних и сравнение их функциональных блоков с блоками других специализированных клеток показало, что кишечные клетки не содержат ни одного уникального функционального блока. Рассмотрим работу кишечной клетки, которая при сегодняшнем уровне знаний представляется чрезвычайно сложной технологической системой.

5.2. Кишечная клетка

Схема кишечной клетки представлена на рис. 26. Известно, что численность кишечных клеток составляет 10^10, а соматических клеток взрослого человека— 10 15. Следовательно, одна кишечная клетка обеспечивает питание около 100 000 других клеток. Такая эффективность, вероятно, не имеет аналогий в производственных технологиях. На первый взгляд клетка кажется сверхспециализированной и приспособленной к выполнению именно пищеварительных и транспортных функций. В плане нашей задачи особый интерес представляет структурно-функциональная организация апикальной поверхности кишечных клеток, т.е. поверхности, обращенной в полость тонкой кишки.

Рис. 26. Схема кишечной клетки.

1 — терминальная сеть; 2 — микротрубочки; 3 — свободные рибосомы; 4 — латеральная мембрана; 5 — базальная мембрана; 6 — межклеточное пространство; 7 — аппарат Гольджи; 8 — гладкий ретикулум; 9 — гранулярный эндоплазматический ретикулум; 10 — лизосомы; 11 — десмосома; 12 — плотный контакт; 13 - микроворсинки.

Щеточная кайма. Характерная особенность кишечной клетки заключается в наличии щеточной каймы, образованной микроворсинками — плазматическими выростами, ограниченными мембраной. Щеточная кайма является универсальной структурой, свойственной клеткам самых различных животных, а также человека. На апикальной поверхности каждой кишечной клетки находится около 3000—4000 микроворсинок; на 1 мм^2 поверхности кишечного эпителия приходится до 50— 100 млн. микроворсинок. У человека и других млекопитающих высота микроворсинок в среднем составляет 1 мкм, диаметр в 10 раз меньше (около 0.1 мкм),хотя у низших позвоночных, включая амфибий, микроворсинки могут быть и длиннее. Наименьшее расстояние между микроворсинками — 15—20 нм. Благодаря микроворсинкам поверхность тонкой кишки увеличивается примерно в 40 раз, что способствует включению в мембрану значительного количества различных ферментативно активных и транспортных белков.

Гликокаликс. Внешняя поверхность плазматической мембраны большинства клеток, в том числе кишечных, покрыта гликокаликсом. Последний является компонентом мембраны и образует на апикальной поверхности кишечных клеток слой толщиной до 0.1 мкм. Гликокаликс состоит из мукополисахаридных нитей, или филамент, связанных кальциевыми мостиками и образующими особую сеть. Он обеспечивает не только механическую прочность плазматической мембраны. Благодаря лабильности кальциевых мостиков связи между отдельными филаментами периодически разрушаются, что способствует проникновению относительно крупных молекул в глубину гликокаликса. Так как кислотные остатки гликокаликса имеют отрицательный заряд, то проникающие ионы и диполи будут определенным образом ориентироваться по отношению к гликокаликсу. Таким образом, гликокаликс представляет собой молекулярное сито, сепарирующее молекулы по величине и заряду, имеет отрицательный заряд, характеризуется значительной гидрофильностью и придает процессам переноса пищевых веществ векторный и селективный характер.

Гликокаликс определяет ряд других важнейших функций клеток: «узнавание», связь молекул определенных типов (т.е. специализированные акцепторные и рецепторные функции), иммунологическое дифференцирование, межклеточные взаимодействия и т.д. По-видимому, он играет роль в связывании поверхностного слоя слизи. Гликокаликс является не только диффузионным барьером, препятствующим проникновению бактерий, но и специфическим барьером, определяющим проницаемость пищевых веществ. Благодаря ему апикальная мембрана практически недоступна для высокомолекулярных соединений типа ксенобиотиков. В то нее время гликокаликс обеспечивает высокую проницаемость для молекул пищевых веществ, так как в его пространстве адсорбированы пищеварительные ферменты панкреатического происхождения.

От состояния гликокаликса и содержащихся в нем ферментов могут зависеть многие нарушения функций желудочно-кишечного тракта. В частности, нарушение адсорбции панкреатических ферментов имеет значение в формировании явлений малнутриции, а атрофия гликокаликса может явиться причиной повреждающего действия токсических агентов химуса на липопротеиновую мембрану.

Быстрое обновление гликокаликса обеспечивает эффективное функционирование щеточной каймы как пористого реактора, так как благодаря сбрасыванию «зрелого» гликокаликса создается своеобразный эффект постоянной очистки пор. Недавно показано активное сбрасывание гликокаликса в результате активации фибриллярных структур микроворсинок терминальной сети.

Следует подчеркнуть, что гликокаликс представляет собой универсальную структуру и встречается у клеток всех организмов от амебы до человека, включая эритроциты и нейроны. В то же время гликокаликс характеризуется вариабельностью свойств не только в клетках разного типа, но и в одной клетке. Например, он сильно развит на апикальной поверхности микроворсинок кишечных клеток, менее — на их латеральной поверхности и лишь биохимически (но не структурно) определяется на базальной мембране.

Актомиозиновый комплекс. Сократительные структуры характерны для возбудимых тканей (мышечной и нервной) и контролируют форму клеток. Однако оказалось, что эти структуры присутствуют в самых различных клетках. Недавно некоторые блоки сократительной системы описаны в невозбудимых клетках, и в том числе в кишечных.

На рис. 27 представлена сократительная система апикальной части кишечной клетки. Как можно видеть, сердцевина микроворсинки занята фибриллярными структурами, которые достигают апикальной области цитоплазмы, где сливаются с поперечной фибриллярной структурой — терминальной сетью. Последняя, согласно существующим представлениям, выполняет функцию опоры для щеточной каймы, принимает участие в регуляции подвижности мембраны, а также разделяет клетку на два компартмента — щеточнокаемный и цитозольный.

Рис. 27. Схема мембраны микроворсинок и апикальных соединительных комплексов латеральной мембраны кишечных клеток.

1 — гликокаликс; 2 — микрофиламенты; 3 — терминальная сеть; 4 — межклеточное пространство; 5 — тонофиламенты; в — плотное пятно; 7 — промежуточная плотная линия; 8 — десмосома; 9 — промежуточный контакт; 10 — плотный контакт.

Возникает вопрос о функциях сократительных структур в невозбудимых клетках. Нами еще в начале 60-х гг. было высказано предположение, получившее подтверждение, что благодаря актомиозиновому комплексу реализуются расслабления и сокращения микроворсинок, что может существенно влиять на скорость мембранного пищеварения и всасывания. Недавно выявлена еще одна функция сократительного аппарата кишечных клеток — контроль их десквамации, обеспечивающий гомеостатирование барьерных свойств эпителиального пласта.

Наличие сократительных белков в различных клетках немышечной ткани говорит об их универсальности.

При этом актины немышечных и мышечных клеток сходны по своей структуре. Вероятно, актомиозиновый комплекс, присутствующий во всех эукариотических клетках и участвующий в двигательных процессах, включен в функционирование как возбудимых, так и невозбудимых тканей. Актомиозиновые структуры обнаружены также у большинства растений, у высших и низших грибов. Наличие актомиозиновых белков, по-видимому, служит той эволюционной основой, благодаря которой периодически возникают уникальные способности двигательного аппарата. Примером этому могут служить насекомоядные растения. Возникновение у них двигательных функций не кажется теперь столь неожиданным, так как присутствие сократительных структур характерно для клеток всех типов.

В сократительном блоке принцип регуляции является общим и мало меняется на протяжении эволюции от примитивных грибов до человека. Во всех случаях сокращение связано с активирующим действием Ca2+ и АТФазной активностью миозина. Характерно варьирование компонентов актомиозинового комплекса, при котором один из них может выпадать. Как правило, в филогенезе наиболее стабилен актиновый компонент, тогда как миозиновый по своему составу варьирует в широких пределах, так же как и их соотношения.

Гидролитические ферменты апикальной мембраны кишечных клеток. Эти ферменты — один из основных типов функциональных блоков в системе, выполняющей пищеварительные и транспортные функции в организме (т.е. в тонкой кишке). Особое значение имеют сравнительные исследования клеток тонкой кишки и почки. Эти органы, выполняющие различные физиологические функции, обладают такими идентичными ферментами, как мальтаза, аминопептидазы, эндопептидаза, щелочная фосфатаза, трегалаза и др. (табл. 7). Недавно из щеточнокаемных мембран клеток почки и плаценты выделены такие одноименные ферменты, как аланинаминопептидаза, мальтаза, сахараза, щелочная фосфатаза и др. Многие из этих ферментов обнаружены в мембранах клеток печени и поджелудочной железы, в кровеносной системе и т.д. В некоторых случаях удается показать близость или даже идентичность таких ферментов. Так, свойства щелочной фосфатазы клеток печени, почки, тонкой кишки, плаценты и сыворотки крови обладают значительным сходством. Обнаружено также сходство в иммунохимических характеристиках аланинаминопептидазы клеток поджелудочной железы, почки и печени человека.

Ферменты мембраны микроворсинок клеток почки и тонкой кишки млекопитающих

Тривиальное наименование фермента

Наименование по КФ и №

Локализация

Аминопептидаза

Аминопептидаза (микросомная), 3.4.11.2

Присутствует в почке и кишке

Аминопептидаза А

Аспартатаминопептидаза, 3.4.11.7

То же

Дипептидилпептпдаза IV

Дипептидил пептидаза, 3.4.14.— или 3.4.21.—

»

Эндопептидаза

Нейтральна я пептидаза, 3.4.24.11

»

Глутамилтрансфераза

Глутамилтрансфераза, 3.2.2.2.

»

Сахараза-изомальтаза

Саха раза-a-D-гликогидролаза, олиго-1,6-глюкозидаза, 3.2.1.48, 3.2.1.10

Присутствует только в кишке

Мальтаза (глюкоамилаза)

a-D-Глюкозидаза, 3.2.1.20

Присутствует в кишке и почке некоторых видов

Трегалаза

а-a-Трегалаза, 3.2.1.28

Присутствует в почке и кишке

Лактаза-гликозилкерамидаза

β-D-Галактозидаза, 3.2.1.23, 3.2.1.62

Присутствует только в кишке

Щелочная фосфатаза

Щелочная фосфатаза, 3.1.3 1

Присутствует в почке и кишке

Одни и те же ферменты, например щеточноrаемные гидролазы, могут присутствовать не только в мембране микроворсинок щеточной каймы, но и в латеральных и базальных мембранах, мембранах различных внутриклеточных органелл и даже в цитоплазме. Если присутствие щеточнокаемных ферментов в базолатеральной мембране свидетельствует об одном из физиологических путей от места синтеза к области их действия, то другая локализация, возможно, является полностью или частично результатом побочных эффектов. Однако

такие эффекты могут быть исходным материалом для формирования новых типов функций. Действительно, ферменты мембраны микроворсинок щеточной каймы, накапливаясь во внутриклеточных структурах, могут давать неожиданные физиологические эффекты.

Наконец, ранее предполагалось, что кишечные клетки отличаются от клеток других типов наличием мембранного пищеварения и отсутствием сократительных структур. Однако, как отмечено выше, пищеварительными свойствами обладают не только кишечные клетки, но и, в частности, клетки кровеносных сосудов. В начале 60-х гг. нами выявлено, что крахмал, проходя через сосуды пищеварительной системы и ряда других органов лягушки, подвергается значительному гидролизу. При этом расщепление крахмала обусловлено преимущественно ферментами, связанными со структурами периферического кровообращения. В 1980 г. нами совместно с коллегами из Военно-медицинской академии им. С. М. Кирова и Института физики АН СССР (Красноярск) показано, что мембранный гидролиз имеет место в ряде органов, в том числе в сосудистой системе кишечника, а также задних конечностей собак.

Таким образом, мембранное пищеварение и пищеварительные свойства мембран — не уникальное свойство кишечных клеток, а характерное для многих соматических клеток организма. Как продемонстрировано выше, типичные гидролазы мембраны микроворсинок кишечных клеток обнаружены в плазматических мембранах клеток многих непищеварительных органов, где эти ферменты, вероятно, выполняют другие функции.

Пищеварительные ферменты на всех этапах эволюции обладают примерно одинаковыми кинетическими константами и молекулярными характеристиками. Это справедливо, в частности, для таких универсальных пищеварительных ферментов, как кислые протеазы, амилазы и др., возникших на ранних стадиях эволюции и обнаруженных у наиболее примитивных форм, а также сохранившихся у высших организмов и растений. Даже когда ферменты распространены но столь широко, как, например, сериновые протеазы, их молекулярная структура и функции если не идентичны, то весьма близки. Что касается кислых протеаз, обнаруженных у микроорганизмов, высших растений, животных и человека, то, по-видимому, они возникли путем дупликации и слияния генов из общего предшественника.

Именно анализ эволюции пищеварительных ферментов, точнее, их стабильности, или консервативности в ходе эволюции наряду с очевидной адаптивностью экзотрофических процессов, явился одним из краеугольных камней для представлений о рекомбинации универсальных функциональных блоков как важном механизме эволюции.

Таким образом, мембранные пищеварительные ферменты распространены чрезвычайно широко, причем между мембранными ферментами различных органов существует большое сходство.

Транспортеры и ферментно-транспортные комплексы кишечных клеток. Многие общие и специализированные функции клеток различных типов связаны с деятельностью транспортных систем, обеспечивающих активную и пассивную, селективную и неселективную проницаемость. Предполагается, что все многообразие разновидностей молекулярного специфического транспорта через мембрану, включая активный транспорт против градиента концентраций, реализуется с помощью нескольких типов молекулярных машин — насосов, переносчиков, каналов и пор. Одним из примеров универсальных функциональных блоков мембраны кишечных клеток служат транспортеры, реализующие перенос нутриентов через мембрану. Так, перенос глюкозы осуществляется в результате взаимодействия этого вещества с олигомерным белком, представляющим собой скорее всего трансмембранную олигомерную структуру с молекулярной массой около 100 000 даль-тон. Эта структура путем изменения либо конформации, либо своего положения способна переносить глюкозу через гидрофобный фосфолипидный матрикс мембраны в цитоплазму. В клетках кишечника, мозга, мышц, почек, жировой ткани и других транспорт глюкозы, как и аминокислот, зависит от натрия. Более того, Na+-зaвисимым является трансмембранный перенос этого моносахарида у всех организмов — от дрожжей до высших эукариотов, включая простейших, растения, животных и человека. Другой широко распространенный блок, деятельность которого не зависит от натрия, — комплекс, состоящий из ферментной и транспортной частей. Один из компонентов комплекса реализует гидролиз олигомера, например олигосахарида или олигопептида, до мономеров, например глюкозы или аминокислот, а другой — Na+-независимый перенос продуктов реакции с ферментной части блока на транспортную без выхода в водную фазу. Такой пищеварительно-транспортный блок универсален и обнаружен у всех организмов, находящихся на различных ступенях эволюции. У высших животных и человека он описан не только в мембранах клеток пищеварительного аппарата, но и в соматических клетках.

5.3. Транспортные системы клеток. Насосы

Под насосами подразумеваются системы, в которых сочетаются механизмы энергизации и трансмембранного переноса. Принимается, что источником энергии в большинстве случаев служит энергия макроэргических связей АТФ. Деятельность насосов лежит в основе функционирования практически всех известных типов клеток. Мы рассмотрим несколько типов насосов, участвующих в переносе через мембрану различных ионов и представляющих собой транспортные АТФазы.

Na+, К+-АТФаза поддерживает градиенты Na+ и К+ между вне- и внутриклеточными жидкостями, необходимые для вторичной энергизации процессов, зависящих от натриевых градиентов, и для мембранного потенциала. Фермент, реализуя гидролиз АТФ на внутренней поверхности плазматической мембраны, переносит Na+ против градиента концентраций во внеклеточную среду, а К+ — во внутриклеточную в соотношении 3 молекулы Na на 2 молекулы К в расчете на молекулу АТФ. Таким образом, Na+, К+-АТФаза является комплексом, в котором энергия АТФ обеспечивает транспорт ионов. Во всех поляризованных клетках фермент локализован преимущественно в базолатеральной мембране независимо от того, выделяется ли Na+ во внутреннюю (при всасывании) или во внешнюю (при секреции) среды. Первоначально этот сложный фермент был обнаружен в нервах краба, а впоследствии — в плазматической мембране кишечных клеток и в мембране клеток всех органов и тканей различных животных, а также растений (но не у прокариотов).

Ca2+, Mg2+-ATФaзa играет важную роль в поддержании градиента Са2+. Первоначально фермент был выявлен в саркоплазматическом ретикулуме клеток поперечнополосатых мышц и в их мембране, а затем — в клетках других структур, б том числе в мембранах эритроцитов, клеток мозга, плаценты, почечных канальцев, слюнных желез, нервных клеток и т.д. Фермент представляет собой универсальный насос, характерный практически для клеток всех организмов.

К+, Н+-АТФаза участвует в выделении протонов в присутствии АТФ, а также в поддержании градиента К+. Вначале фермент был обнаружен в препаратах слизистой желудка. Позднее оказалось, что он уникален по своей органной локализации и широко распространен, если можно так сказать, по эволюционной вертикали, так как идентифицирован не только в париетальных клетках млекопитающих, но и в оксинтных клетках амфибий. Однако недавно фермент выявлен в клетках толстой кишки млекопитающих.

Н+-АТФаза необходима для реализации процессов окислительного фосфорилирования и транслокации Н+. Фермент универсален и широко распространен у представителей всех царств. Например, у эукариотов он изолирован из митохондрий, у прокариотов — из мембран хлоропластов. Он характерен для плазматической мембраны бактерий и для фотосинтезирующих растений.

Анионные АТФазы участвуют в транспорте анионов через плазматическую мембрану клеток. Вначале ферменты были обнаружены в апикальной мембране клеток, секретирующих соляную кислоту, а затем во фракции микросом и митохондрий многих тканей, в том числе клеток средней кишки амфибий, в плазматической мембране клеток поджелудочной железы, слюнных желез, почек, печени, эритроцитов и т.д. Их наибольшая активность продемонстрирована в микросомах клеток слизистой желудка, во фракции митохондрий клеток мозга крыс, в мембранах клеток поджелудочной железы и слюнных желез млекопитающих.

Таким образом, существует несколько типов ионных насосов, которые, комбинируясь между собой, осуществляют разнообразные функции клеток с различной специализацией. Общим для насосов является формирование ионных градиентов за счет энергии АТФ.

В ряде случаев благодаря сочетанному котранспорту или антипорту возможно варьирование градиентов в широких пределах. Например, Na+, К+-АТФаза в комбинации с противотоком Na+ и Са2+ может поддерживать не только градиенты одновалентных ионов, но и высокий градиент Са2+, который выкачивается из клетки за счет энергии движущегося по градиенту Na+.

Исследование молекулярных структур насосов мембраны различных клеток показало их сходные принципы функционирования, а также использование идентичных или близких по структуре молекулярных машин.

5.4. Транспортные системы клеток. Транспортеры

Перенос веществ через мембрану в большинстве случаев осуществляется с помощью неспецифических и специфических систем активного и пассивного транспорта — переносчиками, каналами и порами. Больших различий между этими понятиями не делается.» В последнее время используется термин «транспортер».

Переносчики и каналы — устройства, обеспечивающие специфические транспортные процессы. В клетках высших организмов, и в том числе в кишечных, существуют транспортеры многих типов. К ним относятся переносчики глюкозы, аминокислот и др. Каждое такое устройство переносит один или ограниченное число типов органических молекул через мембрану по электрохимическому градиенту или благодаря сопряжению с механизмом транспорта другого вещества, движение которого до градиенту концентраций служит источником энергии для сопряженного с ним процесса.

Для вторичной энергизации используются многие ионные градиенты, но преимущественно градиент Na+ без участия АТФ (табл. 8). Na+-зависимые переносчики используются в различных системах, включающих в себя систему всасывания (например, тонкая кишка), систему обеспечения собственных энергетических и пластических потребностей, транспорт ряда веществ (например, тех же глюкозы и аминокислот) для собственных синтезов и т.д. В печени механизмы активного транспорта глюкозы используются для депондрования веществ и их иммобилизации из депо. Мобильный переносчик, представляющий собой, как правило, белковую молекулу, движется от одной поверхности мембраны к другой, совершая вертикальные или вращательные движения, с тем чтобы связывать транспортируемые субстраты на одной поверхности мембраны и освобождать с другой. Типичным примером такого переносчика служат ионофоры. Канал как устройство характеризуется наличием постоянной или индуцированной поры, через которую проходит транспортируемое вещество.

Nа+-зависимый транспорт органических веществ в клетках животных

Вещество

Ткани или клетки

Глюкоза, галактоза и их дериваты

Тонкая кишка, почечные канальцы

Аминокислоты

Тонкая кишка, почечные канальцы, желточный мешок, мозг, печень, ацинарные клетки поджелудочной железы, жировая ткань, мышцы, клетки асцитной карциномы Эрлиха, клетки карциномы КВ, эритроциты голубя, ретикулоциты, лейкоциты, покровы тела морских беспозвоночных

Дипептиды, трипептиды

Тонкая кишка

Аскорбиновая кислота

Тонкая кишка, мозг, надпочечники

Биотия, тиамин

Тонкая кишка, мозг

Соли желчных кислот, билирубин

Тонкая кишка

π-Аминогиппуровая кислота

Почечные канальцы

Лактат

Тонкая кишка, почечные канальцы

Холин

Тонкая кишка

Миоинозитол

То же

Рибофлавин

»

Урацил

»

Несмотря на то что механизм Na+-зависимoro транспорта не вполне ясен, ряд фактов свидетельствует о его сходстве или идентичности в разных клетках и органах. Так, не удается выявить переносчиков аминокислот, характерных для клеток одного типа и отсутствующих у других (табл. 9). В пользу идентичности транспортных блоков в разных клетках свидетельствуют генетические дефекты, в том числе точечные. Так, при нарушении всасывания одной из субстанций в кишечных клетках наблюдаются аналогичные нарушения всасывания в клетках почечных канальцев (см. гл. 7). Распространенность таких нарушений говорит, что дефект локализован в одном гене. У человека идентифицировано более 20 «транспортных» болезней. Однако молекулярная природа недостающих компонентов в транспортной системе не ясна. Примеры некоторых генетических нарушений приведены в табл. 10. При дефиците различных транспортных или связывающих белков в кишечных клетках наблюдается малабсорбция глюкозы и галактозы, нейтральных аминокислот, цистина и глицина, фолиевой кислоты и т.д.

Ткани и клетки, для которых характерен Na+-завксимын транспорт аминокислот

Эпителиальные ткани

Тонкая кишка (животные различных видов)

Почки

Желчный пузырь (кролик)

Мочевой пузырь земноводных

Стенка тела (морские беспозвоночные)

Неэпителиальные ткани

Жировые ткани

Хрусталик глаза

Кости и хрящи

Печень

Мозг

Поперечнополосатые мышцы

Одиночные клетки

Асцитная карцинома Эрлиха

Фибробласты мыши

Морские бактерии

Ретикулоциты (кролик)

Эритроциты голубя

Лейкоциты (человек)

Вместе с тем, как упомянуто выше, наряду с Na+-зависимым транспортом существует Ма+-пезависимый транспорт. Этот тип транспорта обнаружен при изучении переноса через мембрану кишечных клеток моносахаридов, аминокислот и других мономеров, образующихся в результате мембранного гидролиза соответствующих олигомеров.

Таблица 10

Некоторые примеры генетических нарушений транспортных систем у человека

Заболевание

Вещество, транспорт которого нар; шен

Почечная глюкозурия

Сахара

Нарушение всасывания в кишечнике глюкозы и галактозы

»

Цистинурия

Аминокислоты

Болезнь Хартнупа

»

Иминоглицинурия

Нарушение всасывания витамина В_12

Витамин В_12

Семейный рахит

Фосфат

Наследственный сфероцитоз

Na+, К+

Благодаря распространению Na+-зависимых транспортеров на апикальной мембране, а натриевых насосов — на базолатеральной создается транзитный перенос, необходимый для обеспечения за счет работы каждой кишечной клетки потребностей многих тысяч других соматических клеток. Транспортные функции клеток других типов реализуются практически тем же самым набором функциональных блоков. Действительно, транспортные характеристики клеток тонкой кишки и плаценты во многом совпадают.

Ряд клеток характеризуется тем, что универсальные транспортные блоки расположены на клеточной поверхности иначе. В частности, в ацинарных клетках поджелудочной железы, осуществляющих внешнюю секрецию ферментов, насосы и Na+-зависимые транспортеры расположены в базолатеральной мембране. Этого достаточно для обеспечения градиента Na+ между вне- и внутриклеточной жидкостями и поступлением нутриентов из крови в цитоплазму, а также для энергизации многих других процессов. Кроме того, локализация насосов и каналов в базолатеральной мембране исключает интенсивное поступление потоков воды и солей в апикально-базальном направлении.

Рис. 28. Схема действия транспортера глюкозы и натрия в плазматической мембране.

А — исходное состояние транспортера: оба канала закрыты; Б — после связывания глюкозы с аллостерическим центром на воротном устройстве: натриевый канал открылся; В — при прохождении натрия по натриевому каналу произошла аллостерическая активация глюкозного канала и молекула глюкозы перешла с воротного устройства на вход своего канала; Г — освобождение центра на воротном устройстве влечет за собой закрытие натриевого и глюкозного каналов. 1 — натриевый канал; 2 — глюкозный канал; 3 — воротное устройство. Светлые пружки — молекулы глюкозы, черные — ионы натрия.

Согласно современным представлениям, при Na+-зависимом транспорте глюкозы через плазматическую мембрану клеток эукариотов происходит образование тройного комплекса: Na+—глюкоза—транспортер. Однако более адекватной представляется наша модель транспортера (рис. 28). Она характеризуется наличием двух параллельно взаимодействующих каналов (для Na+ и для глюкозы) и поверхностного (воротного) белка, связывающего глюкозу на входе в транспортную систему. Транспортный цикл такой модели состоит в следующем: 1) исходно глюкозный и натриевый каналы неактивны; 2) при связывании глюкозы с аллостерическим центром на воротном белке натриевый канал активируется (эта стадия напоминает контроль натриевой проницаемости ацетилхолином) и Na+ движется из экстра- в интрацеллюлярную жидкость; 3) на определенном этапе движения Na+ по каналу происходит аллостерическая активация глюкозного канала; 4) через активированный канал транспортируется молекула глюкозы, первоначально фиксированная в воротном устройстве; 5) освобождение воротного устройства сопровождается дезактивацией натриевого канала. Реактивация последнего происходит при связывании с аллостерическим центром следующей молекулы глюкозы. При температуре 16° С глюкозный канал инактивируется, а натриевый продолжает функционировать. Из нашей модели вытекает, что скорость транспорта глюкозы и Na+ в определенном диапазоне зависит от концентрации Na+ во внеклеточной жидкости. Важно, что Ка+-зависимые транспортеры глюкозы и аминокислот, поскольку показана их идентичность в клетках различных типов и у организмов разных групп, должны соответствовать одной из моделей молекулярных машин.

Насколько можно судить, все разнообразие процессов, связанных с мембранной проницаемостью электролитов и их мембранным транспортом (по крайней мере у всех эукариотов), осуществляется с помощью тех же стандартных функциональных блоков, которые описаны выше. Поразительно, но «примитивные» функции низших организмов и совершенные функции высших организмов реализуются близкими или идентичными функциональными блоками. На уровне элементарных функций организмы, занимающие крайнее положение на вершине и у основания эволюционной лестницы, трудно различимы. Одноименные транспортеры органических субстанций у животных разных видов, по-видимому, также близки или сходны по своей молекулярной структуре и принципам функционирования, хотя этот вопрос изучен меньше, чем в отношении АТФаз. В пользу большой близости этого типа функциональных блоков говорит сходство, а иногда идентичность реакций различных транспортеров на действие ингибиторов и активаторов.

Несмотря на то что сравнительная физиология ионных каналов изучена недостаточно, существуют данные о значительном сходстве их молекулярной структуры и функциональной организации. Вероятно, у млекопитающих и насекомых имеются все основные типы ионных каналов — натриевые, калиевые, хлорные и др.

Далее, у млекопитающих, рыб и насекомых продемонстрировано наличие специализированных натриевых каналов, чувствительных к амилориду, а также каналов, реализующих котранспорт Na+ и Сl-, чувствительных к фуросемиду. Интересно, что те же самые ингибиторы специфически тормозят транспорт ионов в мальпигиевых канальцах и толстой кишке насекомых. Недавно выявлен котранспортер, осуществляющий котранспорт в клетку одного иона Na+, одного иона К+ и двух ионов Сl-. Этот механизм обнаружен в клетках почки и тонкой кишки млекопитающих, в клетках различных органов рыб и насекомых.

До недавнего времени считалось, что функции секреции, экскреции и всасывания имеют глубокие различия, касающиеся механизмов функционирования и эволюционного происхождения. Однако между этими процессами принципиальной разницы не существует. Все основные функциональные блоки, упомянутые выше, лежат и в основе перечисленных функций, в ряде случаев полярных по своему физиологическому значению (например, всасывание и экскреция).

Характеристики ферментных и транспортных систем клеток, выполняющих различные функции (например, всасывание в тонкой кишке, реабсорбция воды в протоках пищеварительных желез и т.д.), очень близки. В апикальной мембране клеток тонкой кишки и почечных канальцев присутствуют трансмембранные ферменты, Ка+-зависимые транспортеры глюкозы, аминокислот и других нутриентов. В базолатеральной мембране этих клеток локализованы близкие или идентичные по молекулярной структуре АТФазы. Системы с множеством транспортеров, локализованных в апикальной мембране, и натриевых насосов, расположенных в базолатеральной мембране, распространены очень широко. В некоторых структурах они выполняют не только резорбтивную, но и секреторную функцию.

Существенно, что при электронной микроскопии многие субклеточные и молекулярные структуры клеток тонкой кишки человека и высших животных неотличимы от таковых клеток кишки рыб, насекомых, моллюсков, круглых червей и т.д., а клетки тонкой кишки — от клеток плаценты, канальцев почек и других клеток.

5.5. Регуляторные блоки

В течение долгого времени постулировалась специфичность регуляторных сигналов и рецепторов, воспринимающих эти сигналы. В отношении химических сигналов идея специфичности достигла наибольшего развития. Действительно, эти сигналы, действующие через кровь, должны находить свои клетки-мишени и оказывать на них определенный эффект. В то же время число сигнальных молекул по сравнению с тем количеством, которое следовало бы ожидать, исходя из специфичности химических сигналов, невелико. Рецепторы для каждого типа сигнальных молекул локализованы практически в клетках всех типов. Кроме того, на примере кишечной гормональной системы продемонстрировано, что клетки, продуцирующие казавшийся ранее уникальным гормон, могут быть дублированы или даже мультиплицированы.

Попытаемся показать, что многообразные высокоразвитые формы управления в сложных организмах достигаются благодаря комбинации стандартных функциональных блоков, образующих специализированные и приспособленные для определенных задач цепи.

Химические сигналы. Первоначально предполагалось, что каждый эффект и каждый источник физиологически активного вещества связан с особым гормоном. При действии на мишень нескольких гормонов принималось, что лишь один из них оказывает физиологическое действие, а другие — фармакологическое. Однако множественный контроль клеток различных типов пищеварительной системы известен. Например, обмен воды между тканями тонкой кишки и ее полостью контролируется многими гормонами (гастрин, секретин, холецистокинин, ВИП, ГИП, вазопрессин, субстанция Р, бомбезин, серотонин и др.), продуцируемыми эндокринными клетками как желудочно-кишечного тракта, так и другими эндокринными органами, а также простагландинами. Чувствительность к различным гормонам и другим физиологически активным веществам означает наличие рецепторов многих типов или сложных рецепторов, способных связывать не один, а два или более видов лигандов. (Под рецепторами понимается большая группа структур, обладающих высоким сродством и способностью связываться с определенными типами лигандов). Можно ли считать, что рецепторные блоки различных органов идентичны или они специфичны для каждого соответствующего органа? Мембранные рецепторы являются гликопротеинами, и варьирование их свойств может зависеть от уровня посттрансляционного гликозилирования. В то же время существуют данные в пользу сходства или идентичности одноименных рецепторов в различных органах. В частности, это показано для таких ранее казавшихся локальными факторов, как субстанция Р, холецистокинин, ВИП, гастрин и др.

Внутриклеточные сигналы. На уровне сигнальных рецепторных блоков концепция их универсальности и специализации на основе рекомбинации находит новое подтверждение. Например, секреторные процессы в ацинарных клетках поджелудочной железы контролируются системой нервных и гормональных сигналов. В частности, выброс секреторных гранул происходит под влиянием холецистокинина и ацетилхолина. Холецистокинин длительное время рассматривался как специфический стимулятор секреции ферментов. Однако позднее было обнаружено, что этот механизм не специфичен, а включен в систему вторичных мессенжеров — цАМФ и Са2+. Так, холецистокинин контролирует многие цАМФ- и Са2+-зависимые процессы, в том числе внутренней секреции, стимулируя выделение ряда гормонов, и действует аналогично медиатору. Многие гормоны выполняют также функции нейротрансмиттеров. Эту роль могут играть гастрин и холе-цистокинин; серотонинподобные вещества, вызывающие возбуждение в межнейронных синапсах; АТФ — скорее всего в тормозящих нейронах; субстанция Р, выполняющая функции возбуждающего, а энкефалин и соматостатин — тормозящего нейротрансмиттеров. Предполагается также нейротрансмиттерная функция ВИПа (рис. 29).

Рис. 29. Схема способа передачи пептидов, действующих в качестве паракринных мессенжеров (А), кишечных гормонов ( Б ), нейротрансмиттеров (В) и нейрогормонов (Г).

Те же самые молекулы могли бы функционировать в каждой из систем одного и того же организма.

Принцип работы рецепторных блоков можно проиллюстрировать на примере рецепторно-аденилатциклазного комплекса. Такой комплекс осуществляет передачу сигналов путем их ретрансляции с помощью аденилатциклазы. Сущность процесса сводится к образованию комплекса рецептор—гормон, что приводит к стимуляции активности аденилатциклазы, локализованной на внутренней стороне мембраны. Активация аденилатциклазы первичным мессенжером связана с его взаимодействием с рецептором, каталитической и, возможно, промежуточной субъединицами фермента. При стимуляции активности фермента происходит увеличение образования цАМФ, что вызывает цепную реакцию с отрицательной обратной связью, приводящую к ее выключению. Ниже приведен список гормонов, стимулирующих или подавляющих активность аденилатциклазы (табл. 11).

Таблица 11

Гормоны, оказывающие влияние на аденилатциклазную активность различных тканей

Гормон

Ткань-мишень

Катехоламины

Многие ткани

Глюкагон

Печень, жировая ткань, В-клетки поджелудочной железы

АКТГ (адренокортикотропный гормон)

Кора надпочечников, жировая ткань

ТСГ (гормон, стимулирующий выделение тиреотропина)

Щитовидная железа

Паратиреоидный гормон

Почки, костная ткань

Ясно, что с помощью различных соотношений стандартных рецепторных и циклазных блоков может быть достигнута высокая избирательность регуляции различных органов (рис. 30). Вместе с тем при некоторых условиях даже небольшое количество определенных рецепторов может быть важным при развитии адаптационных (например, адаптационно-компенсаторных) реакций или при развитии патологических процессов, например вследствие побочных эффектов гормональных веществ.

Рис. 30. Предполагаемая схема действия цАМФ на транспорт ионов в ворсинках и криптах тонкой кишки млекопитающих.

Показаны два секреторно-чувстительных процесса, разделенных пространственно: абсорбтивный электронезависимый, локализованный в клетках ворсинок, и электрогенный секреторный, локализованный в клетках крипт. Эта же схема иллюстрирует предполагаемую цАМФ-медиироваввую секрецию электролитов в тощей кишке. Антиабсорбтивные (в клетках ворсинок) и секреторные (в клетках крипт) эффекты ввутриклеточных мессенжеров разделены. Гипотеза может иметь отношение ко всей секреции, стимулируемой циклическими нуклеотидами и Са2+, так как цАМФ и Са2+ -ионофоры оказывают эффект на транспорт, сходный с эффектами цАМФ.

Таким образом, наряду с воспринимающим блоком — собственно рецептором — существует эффекторный блок — аденилатциклаза. Эта система универсальна и присутствует в клетках всех органов и тканей. Система циклических нуклеотидов имеется не только у позвоночных, большинства беспозвоночных, включая первичноротых, но и у одноклеточных организмов. У последних, так же как и у грибов, цАМФ выполняет роль передатчика сигналов не внутрь клеток, а от одной особи к другой. Следовательно, цАМФ первично возникает на весьма ранних стадиях формирования эукариотов как типичный гормон и, сохраняясь как химический мессенжер и постепенно подвергаясь интернализации, превращается во вторичный мессенжер.

Таблица 12

Внутриклеточные ферменты, регулируемые кальмодулином

Фермент

Локализация фермента

Фосфодиэстераза циклических нуклеотидов

Мозг, щитовидная железа, легкие, эмбрионы цыпленка, околоушная железа, гепатома, околощитовидные железы

Аденилатциклаза

Мозг, поджелудочная железа, сперма, прокариоты

Гуанилатциклаза

Тетрахимена

цГМФ-протеинкиназа

Мозг

Киназа легких цепей миозина

Гладкие мышцы, скелетная мускулатура, сердечная мышца, почки, кровяные тельца

Са2+, Mg2+-ATФaзa

Эритроциты и адипоциты (плазматическая мембрана), мозг (синаптическая плазматическая мембрана), сердечная мышца (саркоплазматический ретикулум)

Динеин

Реснички тетрахимены, растения (мембраны микро-сом)

Фосфорилаза-кина за

Скелетная мускулатура, кровяные тельца, сердечная мышца

Синтаза-киназа гликогена

Печень

НАД-киназа

Растения, морской еж

Фосфопротеин-фосфатаза

Печень, мозг

Фосфолипаза А_2

Кровяные тельца

Триптофан-5-монооксигеназа

Мозг

Сукцинатдегидрогеназа

Печень

О-Метилтрансфераза

Слизевик

N-Метилтрансфераза

Мозг

Одновременно с цАМФ существует и взаимодействует с ним другой регуляторный механизм — система Са2+—кальмодулин. Многие Са2+-зависимые процессы обусловлены присутствием внутриклеточного белка — кальмодулина. Последний служит основным Са2+-связывающим белком как мышечных, так и немышечных клеток. Многие известные процессы, опосредованные Са2+, включают кальмодулин как промежуточный комплекс. Тот факт, что кальмодулин служит внутриклеточным рецептором Са2+, позволяет думать, что Са2+ играет роль вторичного мессенжера подобно цАМФ. Они имеют много общего в механизме действия. С влиянием кальмодулина на метаболизм циклических нуклеотидов и гликогена, а также на транспорт Са2+ связана регуляция многих ферментов в клетках различных типов (табл. 12). Это относится также к контролю сократительной активности клеток. Кальмодулин является компонентом цитоскелета кишечных клеток и обнаружен в микроворсинках этих клеток и клеток плаценты, в клетках мозга, матки, семенников, скелетной мускулатуры и т.д. Кальмодулин и Са2+ универсальны и характерны для всех эукариотов и прокариотов. У эукариотов кальмодулин связан в единый регуляторный блок с системой циклических нуклеотидов. Сходный феномен наблюдается и у простейших, для которых характерна развитая система Са2+—кальмодулин, взаимодействующая с аденилатциклазной системой.

Таким образом, системы управления организмов также являются общими.

***

В течение длительного времени гормоны рассматривались как филогенетически новый механизм химического управления. Однако сейчас известно, что многие гормоны, обнаруженные у человека и млекопитающих, присутствуют и выполняют важные функции у прими-

тивных организмов, включая простейших. Рассмотрим две группы гормонов: 1) пептидные гормоны (в основном желудочно-кишечные) и нейропептиды; 2) стероидные гормоны.

Пептидные гормоны. Одной из сенсаций последнего десятилетия было открытие единства регуляторных механизмов у столь далеких организмов, как человек с его высокоспециализированной нервной и эндокринной системами, и весьма примитивные кишечнополостные. Оказалось, что нейропептиды и некоторые другие гормоны, характеризующие, как предполагалось, высшие этапы эволюции, встречаются на обоих указанных полюсах. Сопоставление гормонально активных пептидов млекопитающих и насекомых показало их поразительное сходство. Идентичность этих пептидов может означать лишь одно: такие пептиды возникли очень давно.

Уже в начале 60-х гг. мною обращалось внимание на необходимость признания древнего происхождения гормональной регуляции, так как к этому времени у кишечнополостных был выявлен окситоцин. В дальнейшем многие гормоны, первоначально обнаруженные в клетках млекопитающих, были продемонстрированы у примитивных многоклеточных и даже у простейших. К числу таких гормонов относятся некоторые гормоны гипофиза, иммуноподобные факторы и т.д. Существуют сведения, что у одноклеточных организмов обнаружены субстанции, подобные таким гормонам, как АКТГ, β-эндорфин, соматостатин, хорионный гонадотропин, а также рецепторы этих субстанций.

Некоторые основные пептиды, используемые в качестве химических мессенжеров простыми организмами, очевидно, сохранились на всем протяжении эволюции лишь с весьма незначительными изменениями. Однако у высших организмов эти пептиды применяются для самых различных целей, т.е. обладают мультифункциональностью. Например, активная часть АКТГ, по-видимому, используется как сигнал в регуляции репродукции на реем протяжении ряда эукариотов. Кроме того, она включается в контроль выделения глюкокортикоидов и т.д. Сходная аминокислотная последовательность этого пептида у различных организмов позволяет полагать, что он играет универсальную роль в активации специфических рецепторов.

Пептиды, идентичные или родственные кишечным гормонам млекопитающих, широко встречаются не только в кишечных эндокринных клетках, но и в клетках центральной или периферической нервной системы, кожных желез амфибий, в ряде тканей беспозвоночных и т.д. Такая локализация пептидных гормонов в кишке и мозгу, возможно, существовала уже в начале линии позвоночных. Действительно, локализация того же самого пептида в кишке и мозгу обнаружена у самых древних позвоночных. У представителей этой группы — круглоротых (речные миноги) в экстрактах мозга и кишки обнаружены два фактора с холецистокининподобной иммунореактивностью. Эти факторы сходны, но не идентичны холецистокинину-8, но оба обладают холецистокинин-8-подобной иммунореактивностью. Присутствие холецистокинина-8 и соматостатинподобной иммунореактивности в кишке и мозгу круглоротых, так же как у челюстноротых, позволяет полагать, что такое распределение характерно для всех позвоночных и получено ими «в наследство» от беспозвоночных животных.

Многие физиологически активные пептиды были уже у беспозвоночных организмов. Так, гастрин-холецистокининподобная и соматостатинподобная активности обнаружены в эндокринных клетках кишечного эпителия протохордовых Amphioxus и Ciona. Сходные пептиды, возможно, существуют и у первичноротых. Имеются сведения об иммунореактивном гастрине в кишечных экстрактах и гемолимфе моллюсков и в ганглиях насекомых. Из ганглиев моллюска Macrocallista изолирован пептид, обладающий сходством с активным С-терминальным тетрапептидом гастрина и холецистокинина млекопитающих. Выявленный у кишечнополостных гормон, активирующий генерацию головы, присутствует также в гипоталамусе и кишечнике млекопитающих. Гормон FMRF-амид, выделенный из нервных ганглиев моллюсков и вызывающий у них ряд эффектов, в том числе стимуляцию сердечной деятельности, обнаружен в центральной нервной системе и в кишечнике млекопитающих (табл. 13). Эти данные могут рассматриваться как новое подтверждение правила «эволюционной универсальности», вытекающего из концепции функциональных блоков.

Категории пептидов мозга млекопитающих

«Гипоталамические рилизинг-гормоны»

Желудочно-кишечные пептиды

Гормон, освобождающий тиреотропин Гормон, освобождающий гонадотропин Соматостатин Гормон, освобождающий гормон роста

ВИП

Холецистокинин Гастрин Субстанция Р Нейротензин Метиоиин-энкефалин Лейцин-энкефалин Инсулин Глюкагон Бомбезин Секретин Соматостатин Гормои, освобождающий тиреотропин Мотилин

Нейрогипофизарные гормоны

Вазопрессин Окситоцин Нейрофизин (нейрофи-зины)

Пептиды гипофиза

Адренокортикотропный гормон β-эндорфин a-Меланоцитстимулиру-ющий гормон Пролактин Лютеинизирующий гормон Гормон роста Тиреотропин

Другие пептиды

Ангиотензин-II Брадикинин Карнозин Пептид (пептиды) сна Кальцитонин Продукт кальцитонина, связанный с геном Нейропептид Yy

Гормоны беспозвоночных

Фенилаланилметионил-аргинилфенилаланил-амид (FMRF-амид) Активатор роста головы гидры

Сходная последовательность аминокислотных остатков у ряда кишечных пептидов, а именно у гастрина и холецистокинина (семейство гастрин-холецистокинина) и секретина, глюкагона, ВИПа, ГИПа (семейство секретина), указывает на эволюцию общих предшественников молекул путем дупликации генов и дивергенции, причем в плане концепции функциональных блоков важно, что функционально значимые аминокислотные остатки сохраняются. Существуют также эволюционные изменения на уровне рецепторных механизмов органов-мишеней. Например, секретин регулирует секрецию панкреатического сока у млекопитающих, тогда как структурно близкий ему ВИП вызывает сходный эффект у птиц.

Стероидные гормоны. Стероидные гормоны являются универсальными регуляторными блоками, наблюдающимися не только у позвоночных и беспозвоночных организмов, но и у простейших, грибов и растений. Прежде всего следует сделать вывод, что стероидные гормоны — универсальные регуляторы у эукариотов. Изменения уровня гормонов в диапазоне от круглоротых до млекопитающих, т.е. на дистанции, охватывающей 500 млн. лет, очень малы. При этом системы синтеза стероидных гормонов у всех позвоночных близки или идентичны. Различия сводятся скорее к разному соотношению отдельных интермедиаторов. Все стероидные гормоны являются звеньями единого метаболического комплекса, и их взаимоотношения в значительной степени определяются интенсивностью трансформационных, синтетических и деградационных процессов.

Многие особенности конституционных типов человека определяются перераспределением стероидных гормонов. Это может зависеть от ряда условий, в том числе от особенностей питания и состава бактериальной флоры желудочно-кишечного тракта. Благодаря общности молекулярной архитектуры различных организмов, в том числе организма хозяина и населяющих его желудочно-кишечный тракт бактерий, образуются вещества, одинаковые с теми, которые синтезируются в эндокринных клетках организма-хозяина. Это справедливо как в отношении стероидов, так и в отношении дериватов аминокислот, например гистамина, входящего в общий гормональный пул, и даже пептидов (экзорфины), образующихся при переваривании белков злаков и казеина.

Некоторые однолетние растения Калифорнии продуцируют эстрогены, с помощью которых регулируют размножение поедающих их перепелов. В засушливые годы синтез стероидов в растениях возрастает, что приводит к торможению репродуктивных функций перепелов. Во влажные годы концентрация эстрогенов в этих растениях уменьшается и перепела могут усиленно размножаться. Таким образом, растительные экстрогены могут участвовать в регуляции трофически взаимодействующей пары. В обоих случаях общие химические регуляторы гармонизируют отношения в биоценозе.

Существуют данные, указывающие на появление у примитивных видов организмов, включая грибы и одноклеточные эукариоты, гормонов, подобных стероидам позвоночных. Так, у низших организмов описаны белки, связывающие стероиды позвоночных. При исследовании дрожжей также обнаружены макромолекулы рецепторподобных белков в цитозоле, которые связывают кортикоиды позвоночных. Вне концепции универсальных функциональных блоков появление у растений экдизона и эстрогенов, а у дрожжей рецепторов, связывающих кортикостероиды, едва ли поддается научному объяснению. Но если принять, что основные функциональные блоки появились в ходе эволюции давно и стали общими для всех или большинства организмов, то взаимодействия представителей далеких в систематическом положении групп на основе общих молекул уже не кажутся столь удивительными. Предполагается, что эволюционное происхождение стероидной гормональной системы по крайней мере такое же, как у простых одноклеточных эукариотов, причем возможен общий предшественник со стероидной системой млекопитающих.

***

Таким образом, регуляторные блоки (по крайней мере многие из них) широко распространены в мире живых существ, а некоторые универсальны. Это касается серотонина, различных катехоламинов, гистамина и др., выполняющих гормональные и медиаторные функции, а также стероидов и пептидов, выполняющих регуляторные функции. Складывается впечатление, что некоторые гормоны появляются на определенных этапах эволюции, затем исчезают и появляются вновь; исчезают у всей линии первичноротых, но сохранятся у вторичноротых и т.д. Идея молекулярной конвергенции была бы заманчивой, однако идентичность или сходство первичных структур возможны лишь как следствие общности происхождения гормонов. Поэтому во многих случаях отсутствие данных о существовании каких-либо гормонов на определенном уровне филогенеза скорее означает методическую неудачу, а не твердо установленный факт. Будущее покажет, какое из предположений более справедливо.

Нельзя исключить еще одну возможность, которая известна в современной генетике как эффект дремлющих генов. При всех обстоятельствах поиск регуляторных пептидов у беспозвоночных продемонстрировал стабильность функциональных блоков и привел к важной дополнительной аргументации в пользу концепции универсальных функциональных блоков.

5.6. Концепция универсальных функциональных блоков и кишечная гормональная система

Недавно, когда среди гормонов, продуцируемых эндокринными клетками тонкой кишки, оказались гормоны, характерные для гипоталамуса, гипофиза, щитовидной железы, коры надпочечников и т.д., стало ясно, что система кишечных гормонов может служить важным аргументом в пользу концепции универсальных функциональных блоков. Еще в 1960 г. гормоны желудочно-кишечного тракта рассматривались скорее как гормонопободные соединения с местной регуляторной функцией. Однако в том же году мною были опубликованы первые сообщения, что элементы пищеварительного аппарата продуцируют ряд гормонов, контролирующих не только пищеварительные, но и другие жизненно важные функции организма.

Начиная с 1952 г. мы провели ряд операций по удалению двенадцатиперстной кишки, которые первоначально были осуществлены на кошках, а затем на собаках. При сопоставлении здоровых животных и животных после изоляции двенадцатиперстной кишки (когда выключались ее пищеварительно-транспортные, но сохранялись эндокринные функции) и ее удаления были обнаружены неожиданные феномены. После удаления (но не после изоляции) двенадцатиперстной кишки развивается специфическое заболевание, названное нами «синдром дуоденальной недостаточности». В этом синдроме преобладали признаки общих нарушений функций организма, а не местных, которые можно было бы поставить в зависимость от влияния лишь таких «пищеварительных» гормонов, как секретин, холецистокинин, энтерогастрон и т.д. Дуоденальная недостаточность развивается в две фазы: 1) фаза прогрессирующего истощения, заканчивающаяся смертью животного; 2) фаза менее выраженного истощения, сменяющегося первоначально восстановлением массы тела, а затем ожирением гипоталамического типа. Если истощение организма можно, хотя и с трудом, объяснить нарушением пищеварения и всасывания пищи, то последующее ожирение на фоне восстановления аппетита и отсутствия диареи вряд ли можно трактовать как заболевание, возникшее вследствие выпадения местных гормональных эффектов. Тем более невозможно объяснить синдром дуоденальной недостаточности выпадением лишь пищеварительно-транспортных функций двенадцатиперстной кишки. Действительно, после удаления двенадцатиперстной кишки обнаружены изменения структуры щитовидной железы, супраоптического и паравентрикулярного ядер гипоталамо-гипофизарной нейросекреторной системы, коры надпочечников. Это позволяет полагать, что существует специфический гормональный компонент, проявляющийся в продолжительности и глубине сдвигов, возникающих после удаления, но не изоляции двенадцатиперстной кишки.

Общие гормональные эффекты имеют двоякую природу. С одной стороны, такие внесистемные гормоны, как секретин, холецистокинин, энтерогастрон обладают общим действием, с другой — существуют ранее неизвестные гормоны общего действия. Группа А. С. Хохлова и наша получила высокоочищенный препарат аппетитрегулирующего фактора — арэнтерина, вызывающего торможение потребления пищи. Анализ синдрома дуоденальной недостаточности и обнаружение аппетитрегулирующего фактора в двенадцатиперстной кишке позволили заключить, что эндокринные клетки продуцируют гормоны, влияющие не только на деятельность пищеварительного аппарата, но и на функционирование многих других органов и систем. Эти влияния были охарактеризованы нами как непищеварительные эффекты кишечной гормональной системы (рис. 31). Нами высказано предположение, получившее подтверждение, о существовании энтерогепатической, энтеронейрональной, энтерогипоталамической, энтероадреналовой и энтеротиреоидной осей, а также о продукции эндокринными клетками тонкой кишки гипоталамо-, тирео- и адренокортикотропных факторов, или гормонов, имитирующих эффекты гипоталамуса, щитовидной железы и коры надпочечников. Недавно нами в специальных экспериментах с использованием изолированного абдоминального комплекса крыс было показано, что кишечные клетки продуцируют также типично гипофизарный гормон — АКТГ.

Рис. 31. внутрисистемные (непрерывные стрелки) и внесистемные (прерывистые стрелки) эффекты кишечных гормонов.

Таким образом, эндокринные клетки желудочно-кишечного тракта вырабатывают гормоны, типичные для гипоталамо-гипофизарной системы. Многие же гормоны, продуцируемые рядом эндокринных желез организма, оказались истинными гормонами желудочно-кишечного тракта. Эти гормоны и гормоноподобные факторы, которые следует рассматривать как функцио-нальные блоки, способствуют совершенству и пластичности биологических систем, работающих на основе рекомбинации таких блоков.

По-видимому, кишечная гормональная система и ее непищеварительные эффекты имеют непосредственное отношение к механизму специфического динамического действия пищи, под которым подразумевается усиление обмена веществ после приема пищи по сравнению с уровнем основного обмена. Возникновение этого феномена (точнее, его кишечной фазы) обусловлено цепью взаимодействий, в которую включены поступление соляной кислоты и пищи в двенадцатиперстную кишку, выделение кишечных гормонов, их действие на гипоталамические центры и, возможно, на периферические эндокринные структуры (рис. 32). Этот феномен может представлять собой пример эффективного механизма, осуществляемого универсальными функциональными блоками, составляющими уникальную комбинацию.

Рис. 32. Схема, характеризующая роль прямых метаболических стимулов, нейрогенных и внесистемных эффектов кишечных гормонов в возникновении специфического динамического действия пищи (СДД).

5.7. Экзоцитоз и эндоцитоз

Для клеток различных типов характерны процессы экзо- и эндоцитоза. В приближенном виде экзоцитоз — выделение каких-либо продуктов через плазматическую мембрану во внеклеточную среду, эндоцитоз — поступление материалов из внешней среды в клетку. Эти механизмы служат примером сложных систем, сконструированных из функционально взаимосвязанных блоков, реализующих многоступенчатые процессы.

Экзоцитоз — наиболее распространенный механизм секреции — лежит в основе таких различных феноменов, как внешняя секреция слизи, ферментов, гормонов, выделение нейротрансмиттеров при передаче сигналов от одной клетки к другой и т.д. Этот механизм обеспечивает также выделение альбумина и некоторых других белков гепатоцитами, гистамина — тучными клетками и т.д. При экзоцитозе материал, упакованный в секреторных гранулах, покрытых липопротеиновой мембраной, выбрасывается во внешнюю среду клетки (в ряде случаев в межклеточные пространства) .

Полипептидные компоненты секретируемых материалов синтезируются на рибосомах эндоплазматического ретикулума, затем транспортируются в цистерны аппарата Гольджи, где происходит их упаковка в специальные везикулы. Гранулы секрета формируются преимущественно в результате отшнуровывания кусочков аппарата Гольджи. Предполагается, что по ходу движения к плазматической мембране они сливаются и наполняются секретом. Секреторные гранулы приближаются к внутренней поверхности плазматической мембраны и сливаются с ней. В одной из точек мембраны возникает все увеличивающееся отверстие, через которое выбрасывается содержимое гранул. Далее, мембрана секреторной гранулы превращается в часть плазматической мембраны или вновь погружается внутрь клетки, где образуется пустая везикула, наполняющаяся секретом. Так как при экзоцитозе путь секреторной гранулы не идеален, то та часть секрета, которая поступает через латеральную мембрану, представляет собой продукты внутренней секреции. Напротив, при внутренней секреции незначительная часть секрета выделяется через апикальную мембрану и, следовательно, представляет собой остаточную внешнюю секрецию эндокринных клеток. В пользу этой точки зрения свидетельствует то, что при внешней секреции пищеварительных ферментов клетками поджелудочной железы, желудка, слюнных желез часть этих ферментов поступает в кровь. При патологии соотношение между внешней и внутренней секрецией может меняться.

Эндоцитоз сводится к тому, что под влиянием чаще всего определенного сигнала участок мембраны начинает инвагинироваться внутрь цитоплазмы. Образовавшаяся везикула, покрытая плазматической мембраной, начинает двигаться по направлению к центральным структурам клетки. Можно выделить несколько типов эндоцитозов: 1) фагоцитоз — поступление во внутриклеточную среду «твердых» структур; 2) пиноцитоз — поступление во внутриклеточную среду жидких субстратов; 3) микропиноцитоз, отличающийся от фаго- и пиноцитоза незначительной величиной образовавшихся везикул.

Ранее предполагалось, что все типы эндоцитоза связаны с внутриклеточным пищеварением. Однако в настоящее время ясно, что эндоцитоз играет важную роль в механизмах внутриклеточного транспорта. При этом часть молекул доставляется внутрь клеток как из внешней, так и из внутренней среды. Механизм эндоцитоза не обладает способностью обеспечить нутритивные потребности не только многоклеточных организмов, но и отдельных клеток. Поэтому во многих случаях эндоцитоз выполняет скорее транспортную, чем нутритивную функцию. Эндоцитоз нередко связан с выполнением защитных функций, как это предполагалось в отношении фагоцитоза И. И. Мечниковым. Во многих случаях поглощение бактерий лимфоцитами сопровождается их умерщвлением без глубокого переваривания. Другими словами, защитный фагоцитоз не всегда и не в полной мере представляет собой разновидность внутриклеточного пищеварения.

Особый интерес представляет процесс, происходящий при сочетании эндо- и экзоцитоза. В этом случае образовавшаяся на поверхности мембраны везикула поступает в клетку путем эндоцитоза, а на другом полюсе клетки путем экзоцитоза освобождает свое содержимое. Этот процесс, который мы предлагаем называть трансцитозом, обеспечивает прохождение через клетку частично или полностью пнтактного материала, а также высокомолекулярных соединений. Например, за счет трансцитоза происходит проникновение белков молока матери через кишечный барьер во внутреннюю среду организма ребенка. Вероятно, таким путем обеспечивается иммунная устойчивость организма в течение самых первых дней постэмбрионального периода. Не исключено, что трансцитоз характерен не только для новорожденных, но и для взрослых.

Опосредованный рецепторами эндоцитоз — специализированный механизм (рис. 33), участвующий по крайней мере в 13 различпых процессах интернализации молекул, главным образом белков, в клетках различных типов в норме и при патологии. Рецепторная функция эндоцитоза сводится к тому, что в результате переноса внутрь клетки везикул, образующихся на поверхности клетки, в частности к аппарату Гольджи и другим внутриклеточным органеллам, реализуется транспорт сигналов к внутриклеточным системам. Это особенно важно, когда мембрана клеток непроницаема для этих сигналов. Существуют аргументы, что таким образом передается влияние различных кортикостероидов и других кортикоидных гормонов, инсулина и ряда других. Во всех случаях имеет место проникновение во внутриклеточную среду организма различных белков и пептидов, а иногда и надмолекулярных агрегаций, не проникающих через мембрану с помощью других механизмов.

Рис. 33. Упрощенная схема рецептормедиированного эндоцитоза (стадии связывания, накопления и поступления типичных лигандов в фибробласт).

Различные типы рецепторов, синтезированных с участием рибосомного аппарата и во многих случаях подвергающихся последующим процессингам в аппарате Гольджи, встраиваются в плазматическую мембрану с помощью недостаточно ясного механизма. Первоначально их распределение диффузно. При поступлении сигналов — гормонов, нейротрансмиттеров, кейлонов и др. — соответствующие рецепторы образуют комплекс лиганд—рецептор, после чего их способность к латеральному движению возрастает и они начинают концентрироваться в определенных участках клетки—«окаймленных ямках». После того как комплексы лиганд—рецептор в окаймленной ямке достигают определенной концентрации, эта ямка начинает углубляться в цитоплазму, образуя везикулу, которая по механизму возникновения и другим характеристикам отличается от эндоцитозной везикулы. Везикула продвигается внутрь цитоплазмы, на некоторое время соединяется с лизосомами или цистернами аппарата Гольджи и затем вновь возвращается к поверхности мембраны. По-видимому, везикула совершает много оборотов.

При соединении везикулы с лизосомами предполагается разрушение сигнальных молекул или других лигандов при сохранении рецепторов. В случае присоединения к другим органеллам клетки, вероятно, происходит передача сигнала на внутренние структуры клетки. Таким образом, этот процесс, получивший название «интернализация», является еще одним механизмом, с помощью которого реализуется управление клеточными функциями. Выпадение или нарушение эндоцитозного блока будет неизбежно сказываться на всех функциях клетки хотя бы уже из-за нарушений системы сигнализации.

***

Концепция функциональных блоков встречает многочисленные трудности, но существуют теоретические и эксперименальные аргументы, позволяющие преодолеть их. К одному из затруднений относится вопрос, не противоречит ли концепция универсальных функциональных блоков представлениям об эволюции на молекулярном или близком к нему уровнях. Однако возможность рекомбинации функциональных блоков можно справедливо рассматривать как эволюционный процесс, поразительный по богатству своих возможностей. Примером может служить эволюция генетического аппарата и других информационных систем, где рекомбинация становится основным механизмом. В ряде случаев идея о существовании универсальных функциональных блоков не только не отвергает изменений, но и постулирует их ускоренную эволюцию. Эта же идея позволяет понять случаи консерватизма некоторых молекул или их частей на протяжении огромных отрезков времени.

Другая трудность касается участия значительного числа различных функциональных блоков — изоферментов, изогормонов — в одном и том же механизме. Такое разнообразие блоков также находит объяснение в рамках основной идеи с учетом современных представлений генетики о свойствах генетического аппарата, а цитофизиологии — о посттрансляционных процессингах.

Под давлением фактов следует отказаться от мысли, что специализация и совершенство сложных физиологических функций связаны со специализацией элементарных функций и осуществляющих их функциональных блоков. Напротив, высокая специализация сложных функций достигается на основе рекомбинации и транспозиции большого, хотя и ограниченного набора молекулярных машин, производящих элементарные физиологические операции. Живые системы представляют собой уникальные наборы определенным образом организованных универсальных функциональных блоков. Уникальность и специализация достигаются благодаря сочетаниям универсальных функциональных блоков в пространстве и времени, а не за счет уникальности элементов, из которых строится данная система.

Концепция универсальных функциональных блоков не только влияет на общие представления биологов и врачей, но и приводит к ряду далеко идущих практических заключений. Прежде всего она открывает перспективы для различных способов химического и фармакологического воздействий на организм человека, а также для более серьезных попыток человечества вмешиваться в окружающий его мир для управления им или, напротив, для извлечения определенной пользы, не влияя на природу в целом.

Глава 6.

УНИВЕРСАЛЬНЫЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ БЛОКИ. ЭВОЛЮЦИОННЫЕ И БИОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ

При рассмотрении эволюции пищеварения мы сталкиваемся с несколькими на первый взгляд исключающими друг друга закономерностями. В самом деле, в ходе эволюции механизмы, участвующие в процессах пищеварения и всасывания пищевых веществ, проделали сложный путь от относительно простых, например у бактерий, до чрезвычайно сложных и высокоспециализированных конвейерного типа у млекопитающих. Вместе с тем нельзя не заметить, что основные функциональные блоки, обеспечивающие экзотрофию, у наиболее «простых» и наиболее «сложных» организмов сходны или даже идентичны. Речь идет прежде всего о молекулярных машинах, реализующих гидролиз и транспорт компонентов пищи. Это же справедливо и в отношении трех основных типов пищеварения — внеклеточного дистантного (полостного), внутриклеточного и мембранного. Они встречаются на всех этапах эволюции живых организмов и, взаимодействуя, образуют специализированные системы переработки и усвоения пищи.

Обращает на себя внимание также фундаментальное сходство в организации операций по перевариванию пищи и ее транспорту у различных организмов. Более того, во многих случаях удается проследить не только сходство или идентичность функциональных блоков, из которых составлены сложные и полные биологического значения «мозаики», но и сходство основной технологической схемы. Так, и в сложнейшей пищеварительной системе высших организмов, и у инфузорий расщепление пищи начинается в кислой среде под влиянием протеаз. Затем оно сменяется процес-

сами гидролиза, происходящими в нейтральной или слабощелочной среде под влиянием всего комплекса ферментов, действующих в пищеварительных полостях (или микрополостях типа пищеварительных вакуолей). Одновременно с этим имеют место так называемые промежуточные и конечные стадии гидролиза. Последние происходят на поверхности мембран с помощью ферментов, которые структурно и функционально интегрированы с транспортными системами для отдельных мономерных молекул или олигомеров.

Анализ эволюции пищеварения и пищеварительных ферментов свидетельствует об их стабильности, или консервативности. В то же время известно, что именно высокая приспособляемость пищеварительных систем служит одним из условий выживания организмов при конкуренции за пищевые ресурсы. Это обеспечивается благодаря стабильности функциональных блоков, участвующих в комплексе пищеварительных процессов, их рекомбинации и формированию более эффективных функциональных систем. Другими словами, на основе весьма стабильных, хотя и подверженных определенным изменениям функциональных блоков происходит быстрая эволюция функций и структур. Мы полагаем, что концепция универсальных функциональных блоков позволяет с новых позиций рассмотреть механизмы эволюции функций.

6.1. Основные принципы эволюции в свете концепции универсальных функциональных блоков

В какой степени закономерности и принципы функционирования организмов, органов и клеток справедливы для молекулярных и близких к ним структурно-функциональных систем, какими являются функциональные блоки? По этому поводу нет полного согласия. Некоторые исследователи обращают внимание на определенные различия в эволюции организмов и белков, входящих в их состав. Например, Г. Шульц и Р. Ширмер (1982) указывают, что хотя специализацию белков и можно использовать для изучения эволюции, это еще не означает, что эволюция организмов, заключающаяся в эволюции их структур и функций, протекает параллельно эволюции их белков. В качестве примера они ссылаются на отсутствие корреляции между сравнительно большой изменчивостью белков у амфибий в диапазоне одинаковых таксонов по сравнению с млекопитающими. Вместе с тем отмечается, что специализация белков создает предпосылки для исследования эволюции на более высоких иерархических уровнях. С другой стороны, предполагается, что белки эволюируют как клетки, ткани и органы, подчиняясь тем же закономерностям. В основе такой эволюции на макро- и макроуровнях лежат принципы мультифункциональности, смены, ослабления и расширения функций, интенсификации функций и т.д. Все это связано с тем, что белки — такие же органы организма, но только молекулярные. Я привожу это выражение Б. М. Медникова (1981), которое сочетает удивительную образность и точность. В дальнейшем будет сделана попытка показать, что в биологическом микромире, так же как и в физическом, наряду с универсальными законами действует ряд специфических законов и отсутствуют некоторые закономерности, справедливые для макросистем.

Принято, что основные филогенетические принципы изменения структур и функций являются частными и вытекают из принципа мультифункциональности (см. гл. 8). Базой прогрессивной эволюции служат малодифференцированные структуры, обладающие свойствами, из которых формируются высокоспециализированные системы с немногими характерными функциями. Например, какие-то клетки обладают такими функциями, как питание, выделение, рост, движение, раздражение, возбуждение, размножение и т.д. Впоследствии каждая из этих функций становится все в большей степени свойственной определенной группе клеток, образующих специализированный орган. В пределах каждого органа возникает новый уровень специализации, когда процесс (например, секреция) подразделяется на ряд субпроцессов (например, секреция ферментов, солей, воды, реабсорбция отдельных компонентов первичного секрета и т.д.). В этом случае специализация касается не секреторной функции в целом, а ее определенных разновидностей.

Насколько можно судить, функциональные блоки возникли как специализированные структуры, выполняющие определенную функцию, например обмен натрия на протон в натрий-протонных каналах, укорочение или удлинение актомиозиновых комплексов, эндо-и экзоцитозы и т.д. Таким образом, принцип мультифункциональности реализуется не на уровне блоков, а на уровне органов и клеток и касается комбинаторики блоков, но не их самих. На уровне функциональных блоков и элементарных функций мультифункциональность (или полифункциональность) является скорее исключением, чем правилом. Обычно каждый блок выполняет одну функцию, которая не меняется или мало меняется на протяжении длительных интервалов эволюции, а иногда и всей известной нам эволюции. Так, Na+, К+-АТФаза всегда осуществляет антипорт Na+ и К+, причем на всех уровнях филогенетической лестницы выведение трех ионов натрия из клетки сочетается с поступлением двух ионов калия внутрь клетки при гидролизе одной молекулы АТФ. Однако, включаясь в различные функциональные комплексы, этот насос может участвовать в проведении нервного сигнала, мышечном сокращении, защитных, осморегуляторных, секреторных, резорбтивных процессах, процессах рецепции и т.д. Другими словами, будучи монофункциональной, Na+, К+-АТФаза является мультипотентной (или полипотентной). По-видимому, принцип мультипотентности представляет собой такой же важный принцип функционирования и эволюции на микроуровнях, как принцип мультифункциональности на макроуровнях.

Здесь высказана мысль, что на уровне функциональных блоков и элементарных функций принцип мультифункциональности заменяется другим принципом — мультипотентности, или полипотентности. При этом сами блоки моно- и олигофункциональны. В то же время в ходе эволюции они могут быть включены в самые разнообразные функциональные комплексы, т.е. они мультипотентны. Вероятно, мультипотентность представляет собой один из основных принципов организации и эволюции биологических микросистем.

Поскольку в большинстве случаев функциональные блоки монофункциональны, складывается впечатление, что органные принципы на них не распространяются. Тем не менее этот вопрос не может считаться окончательно решенным, так как возможна, например, смена функций в каком-либо функциональном блоке. Но такое событие происходит редко и имеет существенные эволюционные последствия. Например, фермент, утрачивая каталитический центр, может превратиться в рецепторную структуру или в связывающий белок. Существуют и другие примеры. Речь, в частности, идет о формировании а-лактальбумина из предшественника, существовавшего около 300 млн. лет назад, общего с лизоцимом и напоминающего лизоцим как по структуре, так и по функциям (табл. 14).

Свойства a-лактальбумина и лизоцима

Лактальбумин

Лизоцим

Вероятное время дивергенции от общего предшественника

3х10^8

Судьба после дивергенции

Участвует в развитии новой биологической функции

Сохраняет функцию предшественника

Частота фиксации мутаций

22 РАМ*/10^8 лет

10 РАМ/10^8 лет

Различия аминокислот обоих белков человека

82=62 %=126 РАМ

Функция

Служит для инициации и прекращения синтеза лак-тазы путем взаимодействия со связанным с мембраной белком (аппарат Гольджи)

Гидролизует полисахариды оболочек бактерий

Местонахождение

В молоке (15 % общего белкового состава молока)

Во многих тканях и секретах всех важных организмов ферменты, проявляющие активность лизоцима, гомологичны

* РАМ — скорость эволюции, выраженная в замещениях на кодон зa 10^10 лет.

По-видимому, на уровне функциональных блоков эволюционные перестройки значительно чаще реализуйтся путем смены функциональных блоков, расширения или сужения их набора и т.д., а не по принципам, подобным принципу смены функций. Так, функция откачивания Na+ из клетки может осуществляться с помощью двух распространенных систем, роль которых в ходе эволюции меняется: антипорта Na+ и Са2+ и локализованной в плазматической мембране Са2+, Mg2+-АТФазы. Конечный эффект, т.е. поддержание низкой концентрации Са2+ в клетке, идентичен. Однако в зависимости от условий существования организма он достигается одним из трех путей: 1) использованием первичноэнергизованного кальциевого насоса, 2) использованием вторичноэнергизованной системы антипорта, или противотранспорта, 3) сочетанием обеих систем. Этот пример демонстрирует принцип субституции функциональных блоков как важный принцип эволюции функций на уровне микросистем. Мы видим, что кальциевый насос может быть заменен комплексом из натриевого насоса и Na+—Са2+-канала. При этом кальциевый градиент остается неизменным и системы управления, связанные с действием Са2+ и его взаимодействием с регуляторными системами циклических нуклеотидов и кальмодулина, будут работать так же эффективно, как и ранее.

Принцип усиления функций проявляется в том, что эффекты, относительно небольшие на микроуровнях, создают новые феномены на макроуровнях. Так, изменения в количестве и распределении натриевых насосов, уменьшение сократительных функций могут приводить к появлению мощной электрической активности, характерной для электрических органов. С другой стороны, изменения в механизмах поддержания кальциевого градиента на макроуровнях могут остаться «незамеченными», хотя речь идет о существенных сдвигах клеточной организации, которые могут повлиять на дальнейшие пути эволюции.

6.2. Формирование универсальных функциональных блоков в филогенезе и механизмы их консервации

Мы подошли к основному вопросу, касающемуся формирования универсальных функциональных блоков. С одной стороны, в условиях дивергентной эволюции свойства функциональных блоков, возникающих на ранних стадиях филогенеза из общего предшественника, должны все более и более различаться. С другой стороны, сходство одноименных блоков у представителей филогенетически далеких таксонов поразительно. Допустим, что существует постоянная тенденция к изменению свойств функциональных блоков вследствие различных причин, в том числе нейтральных мутаций. Мутационный процесс лишь частично нивелируется последующим действием естественного отбора, в результате которого элиминируются мутации с вредными селективными признаками. Многие мутации, охарактеризованные как нейтральные или, что более правильно, близкие к нейтральным, могут накапливаться.

Необходимо допустить существование специального механизма, стабилизирующего некоторые важные свойства функциональных блоков, что обеспечивает их сохранение в течение длительных интервалов времени и, следовательно, сходство со свойствами исходной структуры одноименных блоков в других таксонах. Мною было высказано предположение, что таким механизмом может быть стабилизирующее действие отбора в отношении нескольких функционально и структурно взаимосвязанных признаков, мутирующих независимо. Эта точка зрения получает подтверждение (табл. 15). Как можно видеть, частота эволюционных изменений структуры макромолекул варьирует в пределах трех и более порядков, хотя вероятность мутаций должна быть одинаковой или близкой на протяжении длительных интервалов времени. Различия возникают вследствие действия дополнительных механизмов, из которых хотелось бы уделить внимание связи между стабилизирующим действием естественного отбора и структурно-функциональными интеграциями. Фактором, стабилизирующим свойства функциональных блоков в ходе эволюции, возможно, является стабилизирующий отбор тех признаков, которые сопряжены, во-первых, со стабильностью свойств лиганда и, во-вторых, с высокой вероятностью превращения полезного признака во вредный при взаимодействии двух функциональных блоков или комплексов, контролируемых независимо мутирующими генными структурами.

Таблица 15

Скорость эволюции макромолекул

Макромолекулы

Скорость эволюции, выраженная в замещениях на кодон за 10^10 лет

Гипервариабельные нуклеотидные последовательности ДНК

500

«Средняя» ДНК млекопитающих

48-50

мРНК цепей гемоглобина

100

мРНК гистона IV у морского ежа разных видов

35

«Средние» белки

1-50

Гемоглобин, а- и β-цепи соответственно

14

Гистон IV

0.09

Цитохром с митохондриальный

5

Гипервариабельные аминокислотные последовательности белков

85

Идея стабильности некоторых структур в ходе эволюции не нова. В настоящее время она общепризнанна для информационных блоков. В сущности вся эволюционная генетика и теория эволюции живых систем опираются на эти представления. Кроме того, на идее стабильности базируются представления об эволюции на основе строительных блоков — аминокислот, оснований нуклеиновых кислот, моносахаридов и т.д.

Следует обратить внимание на большую эволюционную стабильность олигомерных белков по сравнению с мономерными. Взаимодействие субъединиц в олигомерных белках — существенный селективный признак, который, по-видимому, стабилизируется естественным отбором. Отсюда полиморфизм у мономерных ферментов выражен больше, чем у олигомерных. Благодаря естественному отбору реализуется контроль активных центров как мономерных, так и олигомерных ферментов, а также взаимодействующих участков в субъединицах олигомерных ферментов. К. Райдер и К. Тейлор (1983) заключают, что большая степень полиморфизма у мономерных ферментов — аргумент скорее в пользу гипотезы нейтральных мутаций, чем в пользу гипотезы отбора. Однако в действительности должны учитываться и обе эти гипотезы, и функциональная анатомия макромолекул. Особенно четко это видно при рассмотрении эволюционной изменчивости различных участков полипептидной цепи инсулина. Многими показано, что нефункционирующий С-фрагмент инсулина характеризуется в 10 раз большей мутабельностью, чем А- и В-фрагменты, хотя они кодируются одним геном. Лишь последние взаимодействуют с рецептором, выполняя функцию химического сигнала. На рис. 34 и 35 представлены две модели взаимодействия инсулина и рецептора. По-видимому, происходящие от общего предшественника гастрина и холецистокипина С-концевые фрагменты пептидной цепи, выполняющие регуляторную функцию, в ходе эволюции не изменились. Что касается ферментов, то многочисленные данные свидетельствуют, что в течение длительных интервалов времени в ходе эволюции может меняться структура фермента, но оставаться неизменным его каталитически активный центр.

Рис. 34. Модель взаимодействий инсулина и рецептора с отдельными доменами молекулы инсулина для связывания и биологической активности.

Рис. 35. Модель взаимодействий инсулина и рецептора бее отдельных доменов для связывания и биологической активности.

Следовательно, в ходе эволюции стабилизированными, консервативными являются, как правило, не макромолекулы в целом, а их работающие части, выполняющие специфические функции, особенно такие, как взаимодействие с другими элементами. Так, при взаимодействии пептидного гормона с рецептором значимая мутация в одном из двух независимых генов

привела бы к возникновению несоответствия между рецептором и гормоном. Во многих случаях это означало бы появление генетической болезни, результатом которой было бы снижение вероятности выживания ее носителей или их гибель (при тяжелой форме заболевания). С нашей точки зрения, подобные феномены в ходе эволюции происходили постоянно, но не оставляли следов, так как последствия таких мутаций, нарушавших жизненно важные взаимодействия между гормоном и рецептором, между субъединицами олигомеров и т.д., были элиминированы. Я предположил, что о правильности такого построения свидетельствовало бы существование заболевания эволюционным, или генетическим, диабетом, в частности с точечными значимыми мутациями в А- и В-цепях инсулина. Недавно это предположение получило подтверждение.

Несколько лет назад был выделен структурно-аномальный инсулин из сыворотки крови и поджелудочной железы человека, страдающего диабетом. Позднее обнаружено еще два случая диабета со сходными клиническими проявлениями. У всех трех больных имела место типичная для диабетических больных гипергликемия и выраженная гиперинсулинемия, характерная для инсулярной резистентности, но в то же время гормональная толерантность к экзогенному инсулину. Анализ показал, что инсулин сыворотки крови состоит из аномального инсулина, обладающего лишь 1—2% активности нормального гормона, а также нормального инсулина в молярном отношении 95 :5 соответственно. Высокий общий уровень инсулина в сыворотке больных объясняется медленным удалением аномального гормона из системы циркуляции. Авторы указывают, что различные варианты инсулина при таких формах диабета могут быть результатом мутаций в различных местах в пределах гена инсулина и приводить к многочисленным замещениям аминокислот.

Точечная мутация в гене, контролирующем синтез какого-либо пептидного гормона, например инсулина, может приводить к формированию лиганда, плохо взаимодействующего со своим рецептором. В терминах клинической эндокринологии после такой мутации будет формироваться эволюционный, или генетический, диабет. По крайней мере некоторые формы диабета, реально обнаруженного в настоящее время, являются результатом нарушенного соответствия между лигандом и рецептором и отражают одно из самых значимых эволюционных ограничений. В этом отношении важны данные А. И. Клиорина, показавшего, что в крови детей в начальной фазе заболевания сахарным диабетом инсулин содержится в значительных количествах, но он малоэффективен.

Исходя из концепции универсальных функциональных блоков, следует предположить, что подобно эволюционному диабету должны существовать некоторые другие формы эволюционной патологии, в частности связанной с мутациями в генах, контролирующих синтез соматотропного гормона и некоторых других регуляторных пептидов.

Современный функциональный подход дает возможность глубже понять эволюцию вообще и прогрессивную эволюцию в частности, а также качественные скачки — ароморфозы по терминологии А. Н. Северцова. Еще недавно допускалось, что ароморфоз на молекулярном и близком к нему уровнях организации живых систем связан с повышением эффективности деятельности молекулярных машин. Например, ряд крупных биохимиков Советского Союза и других стран полагали, что в ходе эволюции эффективность ферментативно активных белков увеличивается. В настоящее время принято, что ферменты, участвующие во взаимодействиях с внешней средой, более изменчивы, чем ферменты, реализующие различные этапы собственно клеточных процессов. Для того чтобы рассмотреть этот вопрос более подробно, наиболее подходящими кажутся пищеварительные ферменты, например амилаза. Этот фермент характерен как для млекопитающих, так и для бактерий и обнаружен у всех промежуточных форм.

Анализируя совокупность приведенных в литературе и собственных экспериментальных данных, еще в 1961 г. я пришел к выводу, что нет оснований говорить о совершенствовании этого фермента в ходе эволюции. В 1986 г., наконец, появились обобщающие результаты, полученные при изучении первичной структуры слюнной и панкреатической амилаз различных млекопитающих, а также амилазы ряда низших организмов. Анализ последовательности аминокислот показал несомненную гомологичность этих ферментов. Несмотря на то что условия функционирования амилазы и способы регулирования ее синтеза в ходе эволюции менялись неоднократно, принципиальных изменений в структуре этого фермента обнаружено не было. Эти результаты — чрезвычайно важный аргумент в пользу идеи относительно большой эволюционной устойчивости функциональных блоков. Не менее важно, что следствием такой устойчивости является не прекращение эволюции, а ее ускорение за счет различных пространственных сочетаний и комбинаций одних функциональных блоков с другими. Вместе с тем существует возможность использования организмом регуляторных путей. Теоретически ясно, что многие мутации в исполнительных системах связаны не только с изменением их эффекторных свойств, но и регуляторных характеристик, т.е. с выходом из-под контроля имеющихся в организме регуляторных систем.

Интересно, что дупликация гена, уход его из некоторого функционального комплекса, с которым он взаимодействовал, нередко приводит к потере стабилизирующего действия естественного отбора и в конечном итоге — к формированию многих существенных различий. Слюнная амилаза, по всей вероятности, является таким продуктом дуплицированного гена, имеющего ряд принципиальных отличий от гена панкреатической амилазы. В то же время все другие амилазы организма, в том числе амилаза печени, практически полные генетические копии панкреатической амилазы.

6.3. Функциональные блоки и механизмы эволюции

Концепция универсальных функциональных блоков дает возможность проанализировать некоторые стороны эволюционного процесса, так как функциональный блок является тем элементом, из которого построена вся система функций любой сложности, подобно тому как ген или кодон служат элементам, из которых построена информационная система организма. Попытаемся показать некоторые особенности эволюции на основе универсальных функциональных блоков.

6.3.1. Примеры эволюции функций на основе общих регуляторных блоков

Работа с ограниченным числом блоков обеспечивает более устойчивую регуляцию и более быстрые перестройки. Поиск нужных деталей и сборка машин из стандартных деталей являются, по-видимому, более простым актом при реализации естественных технологий. В пределах не только одного типа, но часто и одного класса организмов возможны резкие перестройки, что было проиллюстрировано на примере пищеварения. В пределах лишь одного типа плоских червей можно найти примеры эктодермального пищеварения и его исчезновения. Это означает заметную ограниченность закона Долло о необратимости эволюции на уровне функциональных блоков.

Еще одна закономерность проявляется в перемещении регуляторных блоков, например рецепторов и взаимодействующих с ними лигандов. Недооценка этого феномена служит причиной многочисленных ошибок, которые первоначально воспринимались как крупнейшие достижения научной мысли и несомненно были таковыми (см. гл. 7). Например, кальмодулин обнаружен в клетках множества видов как позвоночных, так и беспозвоночных организмов, а также высших и низших растений (табл. 16). Далее, система циклических нуклеотидов рассматривалась как новый эволюционный инструмент, возникший у сложных организмов и выполняющий функцию вторичных посредников. Однако, как отмечено выше, система циклических нуклеотидов развита уже у простейших, у которых нет ни внутренней среды, ни интегрированных частей сложного многоклеточного организма. У простейших цАМФ выполняет функции не вторичного, а первичного мессенжера. У простейших обнаружены и многие гормоны, которые действуют параллельно, а затем образуют последовательную цепь сигналов и ретрансляторов. Это справедливо также для основных нейротрансмиттеров. Так, ацетилхолин, норадреналин и вновь открытые нейротрансмиттеры, такие, как аминокислоты, АТФ и др., используются как совершенной, так и примитивной нервной системой, включая нервную систему плоских червей и кишечнополостных. Даже такие медиаторы, как ацетилхолин и катехол-амины, давно признаны универсальными и показаны у всех животных, имеющих нервную систему.

Различные организмы, у которых изолирован кальмодулин

Животные

Простейшие

Членистоногие

Амеба

Рак

Эвглена

Рыбы

Парамеция

Электрический скат

Тетрахимена

Амфибии

Кишечнополостные

Шпорцевая лягушка

Морской анемон

Птицы

Морские анютины глазки

Цыпленок

Нематоды

Млекопитающие

Кольчатые черви

Человек

Земляной червь

Корова

Моллюски

Овца

Осьминог

Свинья

Гребешок

Кролик

Иглокожие

Крыса

Морской еж

Хомяк

Морская звезда

Мышь

Растения

Покрытосемянные

Грибы

Ячмень

Слизевики

Хлопок

Физарум

Орех

Зеленые водоросли

Шпинат

Xламидомонада

Современный уровень знаний позволяет думать, что на всех этапах эволюции в качестве медиаторов могут выступать молекулы различных типов, в том числе аминокислоты, их производные — адреналин и норадреналин, пептиды, а также некоторые нуклеотиды, эфиры и т.д. К медиаторам могут быть отнесены углеводы, медиирующие феномен узнавания в различных клетках организмов разных видов, начиная с вирусов и бактерий и кончая млекопитающими. Однако роль медиаторов в ходе эволюции меняется, хотя законы, по которым значимость разных нейротрансмиттеров увеличивается или уменьшается, остаются неизвестными. Даже если ограничиться нервно-мышечной передачей, то трудно ответить на вопрос, почему у некоторых беспозвоночных (в частности, ракообразных и насекомых) столь важную роль в качестве нейротрансмиттеров играют аминокислоты, а у млекопитающих — ацетилхолин? Точно так же широкое распространение имеют пептидные гормоны, первоначально обнаруженные у высших организмов, а затем у многих низших позвоночных и беспозвоночных. Интересно, что у позвоночных, насекомых и ракообразных, несмотря на отсутствие истинной гомологии, наблюдается поразительное сходство не только функций, но и организации эндокринной системы. При этом химическая структура гормонов у этих организмов обладает значительным сходством.

Важно, что процессы осморегуляции у костистых рыб находятся под контролем гормонов, которые известны у других животных, в том числе у млекопитающих. Однако у рыб они выполняют другую функцию. В частности, кортизол, как и NaCl, вызывает дифференциацию и пролиферацию хлоридных клеток, пролактин — их дифференциацию, глюкагон и ВИП оказывают преимущественно стимулирующий эффект. Таким образом, осморегуляция контролируется гормонами, которые у высших организмов мало связаны с водносолевым обменом.

Для организмов различных групп, естественно, общими являются не только химические сигналы, но и воспринимающие их рецепторы и, наконец, системы, связанные с переработкой и ретрансляцией сигналов. Например, универсальна система циклических нуклеотидов. Такие гормоны, как адреналин, глюкагон, парат-гормон, антидиуретический и тиреотропный гормоны, кортикотропин, лютеинизирующий гормон, гипотала-мические рилизинг-факторы и меланоцитстимулирующий гормон стимулируют в клетках-мишенях мембранносвязанную аденилатциклазу. В результате этого количество цАМФ внутри клетки удваивается. Образующийся в клетках цАМФ вызывает гормональный эффект, действуя в качестве вторичного мессенжера. Этот механизм у позвоночных и беспозвоночных организмов весьма сходен. Так, при действии серотонина на мышечную ткань печеночной двуустки посредником служит цАМФ. Существуют также сведения об участии цАМФ в гормональных эффектах у насекомых, а при действии хроматофоротропинов — у ракообразных. У большинства клеток эукариотов токсин холеры активирует аденилатциклазу.

6.3.2. Перемещение функциональных блоков в филогенезе

Перемещение гормонов и рецепторов хорошо документировано. Хотя каждый функциональный блок может выполнять одну или две-три высокоспециализированные операции, при определенных сочетаниях они могут образовывать различные молекулярные машины более высокого порядка. Так, осморегуляторная система, поддерживающая постоянство солевого состава внутренней среды организмов, и секреторные органы, участвующие в процессах пищеварения, состоят из одних и тех же функциональных блоков. Нередко одни и те же органы могут, несколько меняя количественные соотношения различных функциональных блоков, превращаться из секреторных в экскреторные и наоборот. Эволюционный переход секреторных клеток во всасывающие и наоборот, охарактеризованный как следствие временной и пространственной транспозиции определенных каналов и насосов, четко показан (рис. 36 и 37). Ярким примером может служить пищеварительная система насекомых, органы которой переходят от секреторной функции к всасывающей, от всасывающей к экскреторной и т.д.

Рис. 36. Предполагаемая локализация систем, транспортирующих одновалентные ионы, в эпителиальных клетках, секретирующих (А) и всасывающих (Б) хлор.

В обеих системах Са2+ может активировать Са2+-зависимые каналы для транспорта К+. Эти каналы вместе с потоком Сl- через возможные каналы для транспорта С1- откачивают КСl из цитоплазмы, снижая электрохимический градиент, вызванный выходом Na+ и поступлением К+ за счет Na+, К+-АТФазы. Симпорт NaCl/KCl может быть активирован цАМФ зависимой или цАМФ-независимой протеиназой в различных тканях.

Рис. 37. Схема асимметричной локализации системы, транспортирующей одновалентные ионы, в эпителиальных клетках почки.

Локализация Са2+-актнвируемых каналов для К+ не ясна. Механизм транспорта Сl- через мембрану эпителиальных клеток не определялся.

Остановимся на процессах экскреции у млекопитающих и насекомых. Исходя из того, что эти организмы представляют собой высшие и, следовательно, наиболее разошедшиеся точки дивергентной эволюции первично- и вторичноротых, можно допустить следующее. Значительные различия в строении экскреторной системы насекомых и млекопитающих основаны на использовании различных молекулярных механизмов. Однако системы насосов и каналов, реализующие транспорт воды и ионов, практически идентичны в почке млекопитающих, в выделительной системе насекомых, где терминальная кишка превратилась в экскреторный орган, а также в кишке млекопитающих, выполняющей пищеварительные функции. Во всех случаях обнаружена уабаинчувствительная Na+,K+-АТФаза, которая служит главным первично энергизованным насосом. Идентифицированы также системы натриевых и хлорных каналов, чувствительных соответственно к эпокриновой кислоте и амилориду (рис. 38).

Рис. 38. Схема поперечного среза мальпигиева сосуда насекомых, иллюстрирующая мембранный механизм, связанный с секрецией жидкости.

До сих пор не удалось обнаружить ни одной транспортной системы у насекомых, которая отсутствовала бы у млекопитающих. Так, механизм транспорта аминокислот у насекомых и многих других животных обладает многими общими свойствами. Однако распределение транспортных систем и поэтому многие характеристики процессов экскреции существенно различны. Формирование мочи у насекомых и млекопитающих, как и у большинства многоклеточных организмов, состоит из двух этапов: 1) образование первичной мочи, которая у позвоночных напоминает безбелковую плазму крови; 2) последующие процессинги, которые приводят к образованию вторичной мочи, содержащей в повышенной концентрации многие конечные продукты метаболизма и ряд других веществ, избыток которых удаляется из организма для поддержания ионного гомеостаза. В то же время первичная моча у насекомых образуется в результате секреции, а не фильтрации, как это имеет место у млекопитающих и многих других организмов.

Насколько можно судить, экскреторный аппарат насекомых может обеспечить удаление избытка воды и солей и строгую экономию воды. Это достигается вариациями в распределении насосов и каналов и интенсификацией поглощения солей и воды (рис. 39).

Рис. 39. Схема типичной экскреторной системы насекомых.

Указаны основные транспортные процессы и конечная осмолярность жидкости, покидающей каждый сегмент. Тонкие стрелки — выделение мочи, толстые — активный транспорт, светлые — пассивный транспорт.

Таким образом, адаптация выделительной системы насекомых и млекопитающих основана на использовании идентичных или близких функциональных блоков. Последние, однако, принадлежат к структурам, происходящим из различных зародышевых листков и, казалось бы, с различной эволюционной специализацией. Еще более замечательным является то, что многие регуляторные функции млекопитающих и насекомых осуществляются с помощью идентичных молекул.

Одним из примеров перемещения гормонально активных веществ и изменений контура эндокринной регуляции может служить формирование двух источников АКТГ — нейроэндокринного (гипоталамо-гипофизарная система) и желудочно-кишечного. Ясно, что в ходе эволюции подобные взаимоотношения могли складываться лишь как результат перераспределения функциональных блоков.

Интересно, что одни и те же пептиды могут синтезироваться в тканях, имеющих различное фило- и онтогенетическое происхождение. Так, холецистокинин и гастрин могут синтезироваться в эпителиальных клетках экто- и энтодермального происхождения и в нервных клетках.

АТФ — основной макроэрг в механизме первичной энергизации, в ходе эволюции может выступать также в роли нейротрансмиттера. При этом АТФ включен в синаптические везикулы, и его эффект, как и других нейротрансмиттеров, реализуется с помощью экзоцитоза. Не менее выразительным примером является использование для передачи сигналов синапсов аминокислот, которые накапливаются в гранулах и действуют при экзоцитозе. В настоящее время известны глициновая и глутаминовая сигнализации, а также рецепторы для связывания аминокислот.

Перестановка функциональных блоков в пределах клетки, их перераспределение между различными частями одного органа или различных органов не связаны с какими-либо ограничениями. Действительно, увеличение или уменьшение количества рецепторов инсулина, изменение типов секреции и количества выделяемого гормона не нарушают взаимоотношений рецептора и лиганда, но создают ряд новых ситуаций в таких взаимодействиях. Некоторые изменения могут оказаться полезными. Так, инсулинпродуцирующие клетки, первоначально локализованные в тонкой кишке (например, у круглоротых), затем переместились в поджелудочную железу. Глюкагонпродуцирующие клетки, также первоначально локализованные в тонкой кишке у высших позвоночных, частично сохранились в этой области. В то же время другая часть таких клеток транслоцировалась в поджелудочную железу.

Н. Трак в 1973 г. высказал гипотезу о существовании универсального кишечного прогормона. Автор предположил, что кишечные гормоны произошли в результате мутации из проинсулинподобной молекулы-предшественника в ходе эволюционного развития. При дупликации гена из проинсулинподобной молекулы возникли две молекулы проинсулина, одна из которых стала предшественником инсулина, а другая (при дальнейшей мутации и дупликации гена) — гастрина и секретина. Секретинподобная молекула стала, в свою очередь, предшественником секретина и глюкагона.

Еще более ярким примером того, как концепция функциональных блоков дает ключ к пониманию ранее таинственных явлений, может быть происхождение различных ядов. Этот пример демонстрирует перемещение функциональных блоков в филогенезе.

6.3.3. Происхождение ядов. Гормоны и яды

Еще Ч. Дарвин обращал внимание на трудности в объяснении происхождения ядов. Недавно мною высказано предположение, что объяснение происхождению ядов следует искать в концепции универсальных функциональных блоков. Допускается, что яды появляются в результате постепенного формирования новых физиологически активных факторов ради защиты, нападения и добывания пищи и образуются в специализированных органах благодаря транслокации гена или его экспрессии из одного оперона в другой. При этом первоначальная физиологическая роль данного фактора могла заключаться в поддержании регуляторных функций организма. Тот же фактор, продуцируемый в больших количествах и вводимый при защите и нападении, вызывает токсикоз у жертвы. Например, фосфолипазы — физиологические ферменты в составе мембран, при введении в кровь с ядом змей провоцируют ее гемолиз и другие деградационные процессы, приводящие к смерти. Точно так же функцию физиологических регуляторов в своем организме могут выполнять батрахотоксин и другие вещества. В то же время накопленные в слюнных железах и введенные в организм человека, они вызывают токсический эффект.

При анализе молекулярной структуры показано, что яды, как и гормоны, представляют собой пептиды и в ряде случаев имеют сходную структуру. В коже амфибий обнаружено много активных пептидов с широким спектром действия. Кожные яды амфибий присутствуют в качестве гормонов в желудочно-кишечном тракте млекопитающих, а также в качестве рилизинг-факторов в их организме. Примером этому может служить бомбезин — один из наиболее известных ядов кожи лягушки. Этот пептид у млекопитающих, в том числе у человека, по отношению к гормонам желудочно-кишечного тракта служит рилизинг-фактором, т.е. гормоном, обеспечивающим освобождение из клеток других гормонов. Точно так же бомбезин и некоторые другие гормоны и кожные яды присутствуют в центральной нервной системе высших организмов.

Таким образом, яды кожи лягушки — вещества, сходные с уже известными гормонами, а во многих случаях идентичные им. Подобное заключение сделано в отношении других ядов. В частности, недавно обнаружены два пептида. Один из них — саувагин, изолированный из кожи лягушки, с физиологическими эффектами на сердечно-сосудистую систему и переднюю долю гипофиза теплокровных, другой — дерморфин — вещество с мощными опиатными эффектами, в том числе аналгезийными.

Важно, что все обнаруженные кожные пептиды амфибий имеют функциональные аналоги с гормонами энтеронейрональной оси млекопитающих. Так, функциональные эффекты церулеица сходны с таковыми холецистокинина и гастрина, эффекты тахикинина — с субстанцией Р и т.д. В кишке и мозгу выявлена бомбезинподобная иммунореактивность (табл. 17). Еще более поразительно, что структура пептидов кожи амфибий близка, а в некоторых фрагментах идентична структуре гормонов человека и высших животных. Подобные совпадения не случайны и отражают единство происхождения пептидов. Это означает, что гипотеза происхождения ядов в результате генетических экспрессий сформировавшегося физиологически активного вещества в других органах получает подтверждения.

Семейство пептидов Кожи лягушки в аналогов пептидов в кишке в мозгу млекопитающих

Кожа

Кишка

Мозг

Тахикинины

Субстанция Р

Субстанция Р

(эледозин, физалемин)

Физалеминподобные пептиды

Физалеминподобные пептиды

Церулеин

Xолецистокинин/гастрины

Xолецистокинин-8

Брадикинины

?

Брадикининподоб-ная иммунореактивность

Боыбезины

Бомбезинподобные пептиды

Бомбезинподобные пептиды

Ксенопсин

Нейротензин

Нейротензпн

Ангиотензин

Ангиотензины

Ангиотензины

Гормон, освобождающий тиреотропин

Гормон, освобождающий тиреотропин

Гормон, освобождающий тиреотропин

ВИП

ВИП

ВИП

Саувагин

?

?

Дерморфин

Опиоидные пептиды

Опиоидные пептиды

Итак, в состав ядов змей, насекомых, амфибий и многих других организмов входят известные ферменты и физиологически активные вещества, выполняющие регуляторные или функциональные нагрузки. В этом случае одни и те же сигналы, переходя из одной системы в другую, участвуют в реализации не только

разных, но подчас совершенно экзотических функций. Это же справедливо для перемещения одних и тех же гормонов из желудочно-кишечного тракта в мозг, железы внутренней секреции и т.д. При новой локализации гормон может выполнять роль нейротрансмиттера, а нейротрансмиттер — гормона.

6.3.4. Перераспределение функциональных блоков в пределах клетки

Функционально неполяризованные и неспециализированные клетки характеризуются равномерным распределением каналов и насосов, благодаря чему создается наиболее равномерный и экономичный поток веществ из клетки в клетку. Однако в специализированных клетках, реализующих всасывание, наблюдается поляризация и распределение каналов и насосов так, что первые обращены в полость, из которой происходит всасывание, а вторые взаимодействуют с внутренней средой. По мнению многих исследователей, этого достаточно для обеспечения однонаправленного потока воды, натрия, нутриентов и т.д. В секреторных клетках насосы и каналы сосредоточены в области базолатеральной мембраны, которая осуществляет нутритивные функции.

Можно представить, что разные типы функциональной сцециализации в ходе эволюции или индивидуального развития связаны с транспозицией каналов в пределах клетки. Существуют данные о возможности перемещения блоков, характерных для одного типа внутриклеточных органелл, в другие органеллы. Например, Са2+, Мg2+-АТФаза — типичный насос эндоплазматической сети — может быть обнаружена в клеточной мембране. При сохранении функциональной топографии клетки, например кишечной, достаточно включения механизмов секреции Сl- на апикальной мембране, чтобы превратить механизм, обеспечивающий всасывание воды и солей, в механизм их выделения. Изменение направления потоков воды и солей, которое, в частности, наблюдается при диарее различной этиологии, имеет место также в органах, реализующих удаление избытка солей, а именно в солевых железах и жабрах.

6.3.5.    Транспозиция функциональных блоков между клетками и органами

Гормоны, продуцируемые клетками желудочно-кишечного тракта, могут также выделяться клетками центральной нервной системы, где они выполняют функции нейромедиаторов и нейромодуляторов. У амфибий некоторые гормоны выделяются клетками кожи и играют роль ядов. Это служит одним из примеров того, как область, где синтезируются вещества, может сужаться и расширяться в ходе эволюции. Рядом исследователей, в том числе в нашей лаборатории, показано, что активный транспорт глюкозы у новорожденных крысят доминирует в дистальном отделе тонкой кишки, а у взрослых животных в этом же отделе он полностью отсутствует и наиболее выражен в проксимальном. Имеются также существенные видовые различия в распределении ферментативных и транспортных активностей вдоль тонкой кишки.

Распределение функциональных блоков между клетками и органами или изменение их соотношения — важный путь эволюции биологических систем, хотя свойства самих блоков могут меняться мало или совсем не меняться.

6.3.6.    Рекомбинация функциональных блоков

Один из путей эволюции — объединение функциональных блоков в уникальные по своим свойствам ансамбли, примером которых могут служить транспортные АТФазы. Однако до сих пор неясно, какие функции выполняли блоки, ставшие обязательными компонентами этих сложных молекулярных машин. Другой впечатляющий пример роли сочетаний функциональных блоков представляет собой система, осуществляющая цикл Кребса. Компоненты этой системы возникли в анаэробный период, хотя вся система в целом является наиболее эффективным инструментом использования кислорода. Наконец, как упоминалось, недавно нами получены факты в пользу того, что Nа+-зависимый транспорт глюкозы реализуется с помощью устройства, в котором сочетаются два транспортера — натриевый, выполняющий функцию вторичного энергизатора, и глюкозный, выполняющий трансмембранный перенос глюкозы, а также функцию акцептора энергии. Предполагается, что натриевый энергизатор служит общим блоком для всех видов трансмембранного Na+зависимого переноса, появление которого обеспечило переход от облегченной диффузии на транспортерах к активному транспорту. В пользу такого предположения свидетельствует также то обстоятельство, что Nа+-зависимый транспорт органических веществ в том виде, в каком он существует у высших организмов, имеется лишь у эукариотов. По всей вероятности, формирование новых надмолекулярных комплексов в ходе эволюции представляет собой более редкое событие, чем внутри-или межклеточное перемещение.

Фундаментальная роль рекомбинаций не означает отрицания эволюции функциональных блоков. Наиболее разумным представляется допущение, что в ходе эволюций важны оба механизма эволюции функций:

1)    рекомбинация стабильных функциональных блоков;

2)    эволюция этих блоков. Введение представлений о коррелятивных ограничениях изменчивости функциональных блоков позволяет понять, в каких случаях действует первый, а в каких — второй механизмы. Если данный признак связан с многими взаимодействиями, его изменения вероятнее всего приводят к нарушению гармоничной системы. Тогда отбор действует как стабилизирующий- фактор и компоненты комплекса в ходе эволюции меняются мало.

При довольно широко распространенном процессе дупликации гена, кодирующего какой-либо функциональный блок, он может выходить из-под контроля стабилизирующего отбора. Так, блок, выведенный за пределы системы, может оказаться ценным по производимым им эффектам (например, по гидролизу определенного типа связей) независимо от того, включен он во взаимодействие с другими компонентами комплекса или нет. Другим примером этой закономерности может служить эволюция различных кислых (карбоксильных) протеаз, которые, мало меняясь в ходе эволюции, участвуют в качестве блоков в реализации различных функций (рис. 40).

Рис. 40. Схема генетических событий в эволюции карбоксильных протеаз.

Размер анцестрального гена, по-видимому, составляет 1/4 настоящего. После дупликации первого гена и слияния, примитивная карбоксильная протеаза, вероятно, содержала две субъединицы. В результате дупликации второго гена и слияния образовался одноцепочечный фермент. Эти гипотетические события обобщены на основе структурной информации, которая показала, что карбоксильные протеазы содержат сходные структурные единицы, организованные в две отчетливо гомологичные доли.

Вероятно, после дупликации гена, контролирующего синтез трипсина (точнее, трипсиногена), мог происходить ряд мутаций. В результате этого свойства образующегося нового продукта в отличие от трипсиногена могли не зависеть от активации энтерокиназой или от способности трипсина активировать химотрипсиноген, прокарбоксипептидазы и т.д. Судя по всему, благодаря подобным дупликациям гена и следующим за ними мутациям могло возникнуть большое количество сериновых протеаз, выполняющих самые разнообразные функции.

Таким образом, в ходе эволюции сочетаются рекомбинации стабилизированных функциональных блоков и эволюция, подчас быстрая, тех блоков, на которые уменьшается стабилизирующее действие естественного отбора. По всей вероятности, дело не сводится к простой дивергенции исходного и дуплицированного гена. Дивергенция является скорее кажущейся, так как основной ген, включенный в определенную систему, стабилизирован, а меняется чаще всего ген, вырванный из системы.

К сожалению, генетические и физиологические аспекты эволюционного процесса характеризуются неоднозначностью. Имея в виду эти обстоятельства, попытаемся обобщить физиологические аспекты проблемы, опираясь на интерпретацию генетических закономерностей. По-видимому, физиологи должны базироваться на наиболее надежных законах генетики и эволюционной теории. К числу таких законов или закономерностей относятся следующие:

1) эволюция реализуется в результате случайных точечных мутаций, которые осуществляются с определенной частотой;

2) предполагается, что мутации приводят к изменению функциональных характеристик в генных экспрессиях или в собственных мутирующих структурах;

3) нейтральные мутации служат молекулярногенетической основой формирования новых побочных эффектов, которые могут стать материалом последующей селекции.

Частота замещения аминокислот может быть способом измерения времени возникновения двух родственных белков из общего предшественника. Частота замещения аминокислот, с одной стороны, определяется вероятностью мутаций, а с другой — закреплением возникающего замещения в ходе эволюции.

Ряд авторов отметили ограничения в мутационной изменчивости некоторых белков. Так, физиологически значимые участки одних и тех же белков, например инсулина и проинсулина, могут обладать различной эволюционной стабильностью, отличающейся во много раз (табл. 18). Схематизированная структура проинсулина и инсулина представлена на рис. 41.

Средние скорости замещения аминокислот на участок за год у позвоночных

Кожа

Кишка

Мозг

Тахикинины

Субстанция Р

Субстанция Р

(эледозин, физалемин)

Физалеминподобные пептиды

Физалеминподобные пептиды

Церулеин

Xолецистокинин/гастрины

Xолецистокинин-8

Брадикинины

?

Брадикининподоб-ная иммунореактивность

Боыбезины

Бомбезинподобные пептиды

Бомбезинподобные пептиды

Ксенопсин

Нейротензин

Нейротензпн

Ангиотензин

Ангиотензины

Ангиотензины

Гормон, освобождающий тиреотропин

Гормон, освобождающий тиреотропин

Гормон, освобождающий тиреотропин

ВИП

ВИП

ВИП

Саувагин

?

?

Дерморфин

Опиоидные пептиды

Опиоидные пептиды

Рис. 41. Схема протеолитического расщепления молекулы проинсулина с образованием С-концевого пептида и инсулина.

Необходимо еще раз подчеркнуть, что функциональные блоки выполняют не биологические, а элементарные функции, которые могут иметь различное значение в зависимости от того, в какой функциональный комплекс они включены. Поэтому эволюция функциональных блоков лимитирована системой взаимодействий, причем такая система и функциональные операции хорошо подогнаны друг к другу. Это объясняет стабильность функциональных блоков, включенных в определенные системы, и быструю эволюцию сходных блоков, которые в результате дупликации генов или по каким-либо другим причинам выводятся за пределы системы взаимодействующих блоков.

***

Приведенные примеры на первый взгляд кажутся разрозненными. Между тем они демонстрируют, что: 1) мир живых существ состоит не только из одних и тех же строительных блоков, но и из близких, часто идентичных функциональных блоков; 2) общие функциональные блоки участвуют как в микро-, так и в макроэволюции; 3) на основе общих функциональных блоков возможны эволюционные и филогенетические революции, когда экто- или энтодерма могут стать органом дыхания и органом пищеварения, а желудочно-кишечный тракт реализовать не только пищеварительную, но и эндокринную, выделительную и другие функции; 4) общие функциональные блоки в ходе эволюции способны к перемещению; 5) на основе общих функциональных блоков могут происходить взаимодействия между различными системами одного организма, между организмами одного вида и между организмами, относящимися к разным видам и даже типам.

6.4. Концепция универсальных функциональных блоков и экология

Анализ структуры различных экосистем и взаимоотношений ее членов может дать новые доказательства правильности концепции универсальных функциональных блоков. Жизнь возможна лишь как циркуляция веществ и энергии в трофических цепях. Последнее предполагает единство биологических структур и функций на трех уровнях организации: 1) на уровне элементов; 2) на уровне молекул и строительных блоков; 3) на уровне функциональных блоков. Первый и

второй уровни детально Изучены, поэтому сосредоточимся на роли универсальности функциональных блоков в формировании трофических круговоротов.

6.4.1. Трофические цепи и универсальные функциональные блоки

Трофическая цепь возможна лишь при соответствии между структурами предшествующего трофического звена, т.е. трофического субстрата, и ферментами следующего трофического звена, утилизирующего предыдущее как пищевое вещество. Такое соответствие должно быть и между ферментами данного звена трофической цепи и его же собственными субстратами, что необходимо для реализации различных функций внутри данного организма.

Во взаимоотношениях жертва—хищник независимо от того, рассматриваются ли два вида животных или растительноядное животное и поедаемое растение, жертва как вид может сохраниться лишь при наличии у нее укрытия и средств активной и пассивной защиты. Нередко два последних эффекта достигаются с помощью ядов.

Животные для защиты часто используют яды и токсины. В качестве таких примеров можно привести змей, пауков, скорпионов, пчел, ос и др. У многих организмов яд служит не только средством защиты от врагов, но и средством поражения добычи. Интересные средства защиты применяют некоторые многоножки, продуцирующие синильную кислоту, или жуки-бомбардиры, выбрасывающие в виде защиты струю аэрозоля с температурой 100 °С. Широко распространены растительные яды, предохраняющие растения (первичные продуценты трофической цепи) от поедания. Однако существуют примеры химических взаимодействий, при которых хищник может использовать жертву без отрицательных для себя последствий. Так, гусеницы бабочки-капустницы могут питаться капустой и горчицей без вредных последствий, тогда как эти же крестоцветные ядовиты для гусениц других бабочек. Более того, горчичные масла этих растений представляют собой аттрактанты, привлекающие бабочек для откладки яиц.

Один из способов защиты некоторых животых заключается в использовании токсических веществ растений, что делает этих животных несъедобными для врагов. Таким примером может служить американская бабочка-данаида, которая, потребляя в пищу обычный ваточник, синтезирующий гликозиды, становится вредной для своих хищников.

В ряде случаев растения продуцируют вещества, действующие на эндокринную систему насекомых и позвоночных. Так, некоторые американские вечнозеленые растения вырабатывают сходные с ювенильным гормоном биологически активные вещества, которые тормозят размножение насекомых, останавливая переход последних во взрослое состояние. Некоторые пастбищные растения, в частности бобовые, синтезируют биологически активные вещества, обладающие эстрогенными эффектами. Эти вещества влияют на активность эстрогенов животных, что нарушает цикл воспроизводства крупного рогатого скота и овец. Кроме того, эти фитоэстрогены могут также регулировать численность диких полевых грызунов.

Прямая зависимость между размножением животных и продуктивностью растений может регулировать численность популяции. Выше приведен пример того, что в Калифорнии при засухе ряд однолетних растений вырабатывает фитоэстрогены, ингибирующие появление потомства у перепелов. Напротив, при благоприятных условиях концентрация эстрогенов в растениях становится низкой, что способствует размножению птиц.

Упомянутый ваточник синтезирует сердечные гликозиды, которые оказывают действие на сердце и мозговые центры поедающих его животных, провоцируя рвоту. Приспособление к питанию растениями, содержащими сердечные гликозиды, выработалось у некоторых насекомых в результате мутации, вызвавшей потерю чувствительности Na+, К+-АТФазы к уабаину. В качестве примера можно привести бабочку-данаиду, у которой этот фермент в отличие от АТФаз других организмов не чувствителен к уабаину. Оказалось, что эта точечная мутация несомненно полезный селективный признак. Данаида питается растениями, содержащими сердечные гликозиды. Таким образом, мутация, вызвавшая потерю чувствительности к таким гликозидам, дала этим бабочкам существенные преимущества.

Этих примеров вполне достаточно для понимания сложных отношений в природе между различными организмами и широким распространением ядовитых веществ. Последние представляют собой модификацию какого-либо известного вещества (например, аминокислоты) и выступают в роли антиметаболитов. Все известные случаи пассивной защиты так или иначе связаны с выработкой ядовитых веществ и подчиняются трем правилам: 1) продуцируемые вещества являются регуляторами, которые в определенных случаях используются для развития отрицательных реакций (например, бомбезин, выполняющий в коже лягушки защитную функцию); 2) вырабатываемые вещества могут быть дериватами какого-либо метаболита (например, аминокислота, превращающаяся при модификации радикала в антиметаболит); 3) вырабатываемые вещества могут быть веществами, возникающими в результате мутации гена и превращающимися из регулятора в конкурентно действующую структуру (по сравнению с физиологическим лигандом). Таким путем могли возникнуть многие антибиотики.

Одним из примеров интересных путей эволюции могут быть насекомые с их изощренными механизмами нападения и умерщвления жертвы, ее обездвиживания или сохранения в живом, но неподвижном состоянии на протяжении длительных интервалов времени. Многие стороны таких феноменов остаются загадкой и для науки сегодняшнего дня. Однако хотелось бы обратить внимание на другое обстоятельство. Во всех случаях убивающие и парализующие яды оказались, во-первых, агентами, действующими на определенные стандартные функциональные блоки (например, на натриевые каналы), и, во-вторых, сами яды состоят из молекул, достаточно широко распространенных в живой природе. Общность функциональных блоков настолько велика, что, хотя ветви насекомых и млекопитающих разошлись задолго до формирования системы свертывания и противосвертывания крови, у многих насекомых синтезируются различные биологически активные факторы. Наиболее часто используется гепарин. Если насекомое питается тканевой жидкостью, то вводится гиалуронидаза, повышающая проницаемость тканей. Такой же фактор входит в физиологическую цепь регуляции вазопрессином определенных функций почечных канальцев.

Наконец, один из существенных этапов усвоения пищи в естественных условиях — индуцированный аутолиз — также связан с наличием общих функциональных блоков с принципиально идентичной структурой. Так, пауки для извлечения питательных веществ из жертвы прокалывают ее челюстями и вводят пищеварительные соки, которые, как предполагалось, растворяют ткани. Затем пауки высасывают полученный раствор. Анализ состава ферментов, обеспечивающих внеклеточное пищеварение, заставляет думать, что интерпретация этого феномена неправильна, так как внеклеточные ферменты обеспечивают преимущественно начальные стадии гидролиза. По всей вероятности, пауки наряду с пищеварительными ферментами вводят факторы, индуцирующие аутолиз. В этом случае образуется гидролизат, близкий к набору конечных продуктов расщепления, который и используется хищниками. Аналогичный механизм применяется и другими беспозвоночными, например жуками-плавунцами. Ясно, что все это возможно при хорошем соответствии функциональных блоков, реализующих различные функции у разных, в большинстве случаев далеких организмов.

Рассмотрим еще один конкретный случай, за которым, однако, скрываются общие закономерности. Как отмечено выше, у многих низших и высших организмов ранние этапы онтогенеза обеспечиваются тем, что происходит прямой обмен макромолекулами и макромолекулярными функциональными комплексами между материнским и детским организмами. Такой обмен происходит при молочном питании у млекопитающих и имеет место при псевдомолочном питании у некоторых птиц. У голубя и особенно у пингвина вырабатывается питательная жидкость — так называемое молоко. Местом образования его у голубей является зоб, и выработка молока стимулируется пролактином. У пингвинов такое молоко образуется в пищеводе. Обращает на себя внимание близость состава птичьего молока и грудного молока млекопитающих. Так, в молоке кролика содержится 50.6 % белка от общего количества сухого остатка, а в молоке голубя и пингвина — 57.4 и 59.3%, липидов — 34.2, 28.3 и 34.4%, минеральных веществ — 6.5, 4.6 и 8.4 % соответственно. Ясно, что в обоих случаях молочное питание позволяет избежать случайностей, связанных с внешними обстоятельствами, и обеспечить высокую степень химического гомеостаза как на микро-, так и на макромолекулярном уровнях.

6.4.2. Взаимодействие в биоценозах и универсальные функциональные блоки. Аллелопатия

Биохимическое взаимодействие живых организмов в естественных условиях распространено чрезвычайно широко и стало объектом специальной науки — аллелопатии. В первом приближении аллелопатия сводится к способности организмов определенных видов выделять физиологически активные вещества, действующие на организмы других видов. В результате этого организм-продуцент в ходе естественного отбора получает преимущества. Важную роль в биохимическом взаимодействии видов, вероятно, играют позитивные кооперативные взаимодействия, примером которых служат взаимодействия высших растений и нитрофицирующих бактерий, грибов и одноклеточных водорослей и т.д. При рассмотрении конкурентных аспектов аллелопатии обнаруживаются многие токсические вещества, используемые для борьбы высших растений с высшими растениями, бактерий с бактериями, бактерий с высшими растениями и т.д.

Микроорганизмы и растения выделяют множество веществ, токсически действующих на различные функции высших и низших животных. Многие микроорганизмы продуцируют специфические агенты, влияющие на организм животных, на растения и микроорганизмы других видов. Некоторые особенности биоценозов могут быть результатом сигнального химического взаимодействия его различных сочленов. Так, молочай вредно влияет на лен, а плевел — на пшеницу. В ряде случаев кажущееся истощение почв является результатом накопления токсинов, продуцируемых растениями, что служит одной из причин сукцессий. Интересно, что в насаждениях белой акации отсутствуют почти все другие виды растений, а в различных частях акации обнаружены сильнодействующие ингибиторы. Имеются данные о выраженных стимулирующих и тормозящих влияниях высших растений на микроорганизмы, в том числе на бактерии почв. Так, активность аммонифицирующих бактерий во влажном тропическом лесу выше, чем в окультуренных почвах, а нитрификация значительно ниже.

Одним из примеров химического взаимодействия растений и насекомых служит образование галлов под действием химических веществ, продуцируемых насекомыми, которые стимулируют пролиферацию тканей растений. В свою очередь растения выделяют вещества, имеющие большое значение в жизнедеятельности насекомых. К таким веществам могут быть отнесены экдизон, влияющий на рост и линьку насекомых, ювенильный гормон и феромоны, привлекающие насекомых к их растениям-хозяевам. Несомненный интерес представляет возможность регуляции растениями пищевого поведения растительноядных насекомых. В частности, госсипол и родственные ему соединения, содержащиеся в хлопчатнике, могут подавлять рост личинок насекомых, нападающих на хлопчатник.

Экологическое значение химических взаимодействий растений и других животных изучено в меньшей мере. Так, бактерии и грибы образуют вещества, токсичные для млекопитающих, в том числе для человека. Некоторые виды лютика образуют протоанемонин, вызывающий судороги и гибель домашних животных. Как отмечено выше, наперстянка и некоторые другие растения продуцируют сердечные гликозиды, вызывающие сердечные приступы у поедающих их животных.

С позиций экологии биохимические взаимодействия различных организмов, в том числе растений друг с другом и растений с животными, обладают многими общими чертами. При этом видовая неспецифичностъ сигналов является хотя и не единственным, но обязательным условием организации сложных экосистем и их частей. Таким образом, существует активное поддержание постоянства определенных сред, гомеостати-рование биоценозов с помощью регуляции не только химического состава, но и продукции специфических регулирующих факторов и выделения их в окружающую среду.

6.5. Популяционная физиология

В 30-х гг. нашего века было признано, что учение Ч. Дарвина и генетика не исключают друг друга, а составляют части единого универсального целого. В сущности, соединение популяционной генетики с теорией естественного отбора составило основу синтетической теории эволюции или, если иметь в виду различия взглядов в рамках этой теории, — общей теории, объединенной таким названием.

Успехи теории грандиозны. Однако следует обратить внимание на то обстоятельство, что она, объединяя ряд важнейших достижений биологических наук, не касается физиологии. Ни физиология, ни физиологические подходы этой теорией не используются. (Исключение составляет, пожалуй, понятие вида, которое включает в себя не только структурные, но и функциональные признаки, в частности возможность размножения). Возможно, это связано с тем, что концепции эволюции функций и функциональной эволюции достаточно совершенны. Тем не менее уже сейчас отчетливо видны те проблемы, которые требуют для своего решения новых нетрадиционных подходов. Так, чаще всего появляются высказывания о необходимости нового синтеза. Физиологи не без оснований полагают, что следующий важный шаг в развитии эволюционной теории будет связан с влиянием функциональных подходов на комплекс идей, использовавшихся до сих пор. Быстрое развитие таких подходов в физиологии и ряде других наук, так или иначе изучающих функцию, усиливает эту надежду. Идея нового синтеза, связанного с большим значением функциональных подходов, предполагает их необходимость для эволюционных построений, так же как в свое время были необходимы морфологические, а затем биохимические подходы.

В своей известной книге «Биохимическая эволюция» М. Флоркэн (1947) указывал, что эволюционная биохимия служит основой для создания более точной биологической систематики, чем морфологическая систематика, а также для конструирования более обоснованного филогенетического древа, чем древо, сделанное на основе морфологических сведений. Таким образом, эволюционная биохимия вступила в спор с другими биологическими науками и продемонстрировала свое право решать общие вопросы теории эволюции.

В качестве другого примера можно привести III Международный конгресс по систематике и эволюционной биологии, который был назван «Молекулы против морфологии». В частности, на этом конгрессе на основании анализа аминокислотных последовательностей в миоглобине и а-гемоглобине утверждалось, что птицы более тесно связаны с млекопитающими, чем было принято считать ранее.

Для включения физиологии в ткань других наук необходимо, чтобы она обслуживала эти науки. Поэтому физиологам, как и биохимикам, важно заявить о том, что физиология претендует на участие в построении системы на основании физиологических признаков с применением функциональных подходов. Кроме того, физиология может и должна принимать участие в объяснении ряда явлений всеобщности.

Я полагаю, что будущая теория эволюции будет основываться не только на популяционной генетике и теории естественного отбора, но и на понимании функциональных характеристик организмов и популяций. В то же время в физиологии до сих пор не были использованы представления о популяционных механизмах. Вероятно, это связано с тем, что физиология является организменной наукой. Между тем если проанализировать некоторые закономерности популяционной генетики, то оказывается, что они применимы к физиологии вообще и, что очень важно, к физиологии функциональных блоков. Причем такой подход весьма плодотворен.

Обязательным условием развития эволюционной физиологии является формирование физиологической генетики популяций, или популяционной физиологии, — науки, которую иногда ошибочно понимают как физиологию популяций. Если речь идет о свойствах больших или малых групп животных, о взаимоотношениях членов популяций, то я полагаю, что этот раздел физиологии должен быть обозначен как физиология популяций. По существу она становится частью экологической физиологии. В отличие от этого вариабельность физиологических свойств у членов одной популяции или вида должна характеризоваться как популяционная физиология.

В основу популяционной физиологии следует положить хорошо обоснованные посылки, заключающиеся в том, что физиологические, биохимические и биофизические признаки подвержены широкой индивидуальной вариабельности. Такая вариабельность отчасти является фенотипической, отчасти генотипической. Если вариации функциональных признаков и в конечном итоге биологических эффектов обладают определенной селективной ценностью, то следует ожидать, что некая часть популяции получит преимущества и большие шансы на оставление потомства. Такими признаками могут быть эффективность усвоения различных пищевых веществ, скорость деградации белков, регуляция различных компонентов диуреза и т.д. Вариации могут касаться как исполнительных органов, так и управляющих ими систем. В качестве примера рассмотрим несколько признаков, функциональная ценность которых не вызывает сомнений.

При анализе гликемической кривой у человека после нагрузки глюкозой, отражающей повышение уровня глюкозы в крови в связи с ее всасыванием, а также нормализацию в результате действия механизмов гомеостатирования, обнаружена широкая вариабельность (рис. 42). Эта вариабельность касается как восходящей части кривой, зависящей от скорости всасывания глюкозы, так и нисходящей ее части, зависящей от скорости депонирования всосавшегося сахара. Подобная вариабельность относится к индивидуальным вариациям, вероятно не имеющим селективной ценности у человека. Однако у животных некоторые вариации уровня глюкозы в крови, возможно, могут служить признаком нарушения гомеостаза. В этом случае представители популяции, характеризующиеся чрезмерной гипергликемией, в ходе естественного отбора будут элиминироваться. Однако при переходе на преимущественно углеводную диету, состоящую из сахаров, их ускоренная ассимиляция может сопровождаться развитием диабетоидных явлений именно у этой части популяции.

В качестве примеров вариабельности характеристик желудочно-кишечного тракта можно привести различия в желудочной секреции на пищевые вещества у разных животных, в кислотности желудочного сока, в его протеодитической активности и т.д.

Рис. 42. Изменения уровня глюкозы в крови после пероральной нагрузки глюкозой на фоне относительного покоя пищеварительного аппарата (сплошная линия) и предварительной стимуляции мясным завтраком (пунктирная линия) у здоровых лиц.

По оси абсцисс — время (мин); по оси ординат — изменение уровня глюкозы (мг%) после глюкозной нагрузки по сравнению с исходным уровнем, принятым за 0.

На протяжении более 20 лет мы исследовали характеристики мембранного пищеварения и транспорта нутриентов у животных различных видов, в частности у нескольких линий крыс, у кроликов, морских свинок, собак, кошек и др. В пределах каждого вида и каждой линии, в особенности при сравнении различных линий, отмечены значительные вариации. Анализ накопленной информации показал, что варьируют такие характеристики, как скорость гидролиза мальтозы, сахарозы, крахмала, три- и дипептидов, всасывание продуктов гидролиза этих субстратов, а также всасывание глюкозы, фруктозы, аминокислот и т.д., т.е. фундаментальные процессы, реализуемые механизмами, сформированными еще на заре жизни. Вариабельность может быть индуцирована гормонами, типом питания, перераспределением функциональных свойств вдоль тонкой кишки, возрастом, температурой окружающей среды, стрессорными и другими экстремальными воздействиями. Варьирование распределения ферментных и транспортных систем вдоль тонкой кишки служит примером вариабельности функциональных активностей в пределах органа. Эти вариации существенно влияют на переваривание и всасывание пищевых веществ вдоль тонкой кишки.

В то же время вариабельность резко уменьшается или исчезает при изучении систем на молекулярном уровне. Действительно, в подавляющем большинстве случаев кипетические характеристики ферментных и транспортных систем (Км, Kt, Vмакс, Jмакс) остаются неизменными. Следовательно, физиологические особенности скорее обусловлены пространственными и временными сочетаниями функциональных блоков, чем молекулярными структурами. Если это так, то становится попятным, что при естественном отборе скорее будут отбираться новые сочетания стандартных функциональных блоков, а не сами блоки. Таким образом, свойства молекулярных машин значительно более стабильны, чем распределение этих свойств, например вдоль тонкой кишки. В этом смысле изучение прокси-модистальных градиентов особенно показательно.

Существует обширная литература, свидетельствующая, что расщепление различных пищевых веществ и их последующее всасывание происходят вдоль тонкой кишки неравномерно. В частности, активность сахаразы, максимальная в средних отделах кишки, снижается в проксимальном и особенно дистальном направлениях. Такой градиент больше выражен у белых крыс и слабее, например, у кроликов. Другие ферменты имеют иную топографию. Следует обратить внимание, что уровень ферментативных активностей во всех отделах тонкой кишки подвержен более или менее выраженным вариациям. Эти вариации, как показано в нашей лаборатории, в определенной мере зависят от возрастных, сезонных и других особенностей, от функционального состояния организма и т.д. (рис. 43). В тоже время многие вариации иптерпретируются как индивидуальные. Их амплитуда минимальна у линейных крыс и максимальна у беспородных белых крыс. Крысы быстро занимают промежуточное положение. Так как распределение ферментативных и транспортных функций вдоль тонкой кишки имеет приспособительный характер, то при естественном отборе, связанном с эффективностью питания, определенные вариации проксимо-дистального градиента могут оказаться доминирующими. В то же время другие будут элиминированы. Таким образом, вариабельность проксимодистальных градиентов в этом случае служит материалом для естественного отбора.

Рис. 43. Распределение-сахаразной активности вдоль тонкой кишки крыс различных возрастных групп.

По оси абсцисс — длина тонкой кишки (см); по оси ординат — активность сахаразы (% гидролизованного субстрата за время инкубации, за 100 принята максимальная сахаразная активность в каждой возрастной группе животных). 1 — 20, 2 — 24, 3 — 27, 4 — 60 суток постнатального развития животных.

Наконец, еще одним примером вариабельности может служить репрессия лактазы. Как упоминалось выше, при переходе от молочного к дефинитивному питанию у многих млекопитающих наблюдается резкая, а иногда и полная репрессия лактазы. У некоторых животных наблюдается практически полная репрессия этого фермента, у других она составляет 60—90%. Репрессия лактазы варьировала в широких пределах и в наших экспериментах на крысах. По всей вероятности, при некоторых условиях недостаточная репрессия лактазы превращается в полезный признак. Это может наблюдаться в том случае, когда молочный сахар в составе молока становится важным пищевым продуктом для взрослого организма. Тогда преимущества получает та часть популяции, у которой репрессия фермента выражена слабо. Возможно, именно таков механизм ослабления репрессии у тех человеческих популяций, в ранней истории которых существовала развитая молочная культура.

Итак, благодаря неоднородности популяции при изменении условий одна ее часть получает преимущества, тогда как другая становится объектом элиминации. Весьма существенно, что варьирование физиологического признака в популяции служит основой для микроэволюции вида и, возможно, для макроэволюции.

Взаимоотношения микро- и макроэволюции. Длительное время в качестве одного из важнейших механизмов эволюции рассматривался механизм преадаптации, т.е. приспособления, которое возникает ранее, чем появляются условия, делающие это приспособление полезным признаком. С точки зрения физиологии преадаптация — это побочный эффект некоторой сложной функции и осуществляется одним из существующих функциональных блоков. На основе концепции универсальных функциональных блоков можно объяс-нить происхождение ряда функций, которые казались трудно объяснимыми или необъяснимыми.

Прогрессивная эволюция, в том числе макро- и мегаэволюция, может быть интерпретирована как результат формирования новых систем на основе уникальных комбинаций универсальных функциональных блоков. Это позволяет подойти к «функциональному» решению одного из самых трудных вопросов современной эволюционной теории — переходу от микро- к макроэволюции. Смысл предложенной мною гипотезы заключается в том, что благодаря вариабельности функций и функциональных эффектов, которая соответствует масштабам микроэволюции, могут наблюдаться биологические эффекты, характерные для макроэволюции. В дальнейшем это приводит к изменению скорости эволюционного процесса и к изменению характера давления естественного отбора.

Проиллюстрируем выдвинутые положения некоторыми примерами. Один из таких примеров связан с неидеальным распределением продуктов синтеза биологически активных белков между различными частями клеточной мембраны. Так, около 40 % гликопротеинов достигают апикальной мембраны кишечных клеток непосредственно из аппарата Гольджи, а около 60 % — с «заходом» в базолатеральную мембрану. Такой механизм дискутируется и в случае сахаразно-изомальтазного комплекса (рис. 44). Другие мембранные белки, как, например, Na+,K+-ATФaзa, также могут быть обнаружены не только в базолатеральной мембране — типичном месте локализации этого насоса, но и в апикальной. Не исключено, что необычная локализация соответствующих биологически активных молекул у определенной части популяции может быть причиной формирования новых функций.

Рис. 44. Схема предполагаемого встраивания в апикальную мембрану кишечной клетки, интрацеллюлярного пути и поверхностного процессинга вновь синтезированного сахаразно-изомальтазного комплекса.

СИ — сахаразно-изомальтазный комплекс; И — изомальтазный домен (в предшественнике, или в про-СИ) или изомальтазная субъединица (в СИ); С — сахаразный домен (в предшественнике, или в про-СИ) или сахаразная субъединица (в СИ); N'—N-конец цепи; N—N-конец постулированной сигнальной последовательности; с — С-конец цепи; СП — сигнальная пептидаза; Э — панкреатические протеазы (например, эластаза); ? — не установлено, переносится ли про-СИ в мембрану микроворсинок непосредственно из аппарата Гольджи или через базолатеральную мембрану.

Далее, в соответствии с современными представлениями, существуют потоки веществ, направленные из полости тонкой кишки во внутреннюю среду организма (т.е. потоки всасываемых веществ), а также потоки из внутренней среды в полость кишки (т.е. потоки экскретируемых или секретируемых веществ). Изменение соотношения этих потоков в пределах популяции может приводить к развитию особей, у которых преобладает или всасывание определенных компонентов, или их экскреция. Например, если механизм секреции Сl- включается в апикальную мембрану кишечной клетки, то происходит изменение ее специализации: из элемента, всасывающего воду и соли, она становится элементом их выделения (рис. 36). Такое изменение направления потоков имеет место при диарее различной этиологии. Таким образом, несмотря на изменение соотношения лишь двух типов потоков, происходит формирование систем, имеющих полярное биологическое значение. Следовательно, в ходе эволюции возможен переход таких диаметрально противоположных функций, как всасывание и секреция, всасывание и экскреция путем перемещения универсальных функциональных блоков в пределах клетки (см. 6.3.4).

Нам удалось также найти ряд примеров быстрых макроэволюционных сдвигов, основанных на смещении одного или двух функциональных блоков в каудальные отделы кишечной трубки насекомых и рыб.

Наконец, в последнее время при изучении ассимиляторных процессов у млекопитающих в онтогенезе было обнаружено, что срок перехода от молочного к смешанному питанию сильно варьирует. Эти вариации оказывают существенное влияние на формирование растущего организма.

Итак, гетерогенность популяции по распределению универсальных функциональных блоков и по их комбинаторике — важнейший механизм прогрессивной эволюции. Эта эволюция частично отражает различия в генетической информации, а частично — фенотипические дивергенции.

Таким образом, изучение вариабельности физиологических признаков и популяционного фонда функциональных блоков может оказаться столь же плодотворным для понимания эволюции функций, как и популяционный подход для характеристики эволюции структурных признаков (как морфологических, так и биохимических). Значительная вариабельность в пределах популяции какого-либо признака (например, секреция, скорость всасывания, соотношение различных ферментов, их распределение между клеточными органеллами и т.д.) означает, что биологическая система построена не идеально и многие признаки не имеют определенного физиологического значения. При этом побочные эффекты являются обязательным атрибутом каждого биологического процесса. В ходе эволюции достигается

Некоторое равновесие между полезными биологическими эффектами, побочными эффектами и биологической стоимостью каждой функции.

Таким образом, отсутствие идеальных биологических систем — следствие лежащего в основе эволюции такого технологического принципа, как принцип эффективности. Он основан на существовании полезных и побочных эффектов, а также отрицательного эффекта, обозначаемого как метаболическая, или биологическая, стоимость функции (структуры). Принцип эффективности и входящие в него частные закономерности могут быть применены для анализа многих общих закономерностей. Следовательно, технологические особенности организации различных систем, в том числе экологических, по-видимому, определяются технологичностью самой эволюции.

***

Итак, за немногими исключениями можно обнаружить, что самые примитивные и самые совершенные организмы используют близкие или идентичные по своей молекулярной и функциональной архитектуре функциональные блоки. Особенно сходны функционально активные части таких блоков, что проливает свет на основные закономерности эволюции. Под этим подразумевается идентичность функционально значимых частей блоков и меньшее сходство функционально индифферентных частей.

Идентичность или близость первичных структур в одноименных функциональных блоках исключает конвергенцию как механизм сближения функциональных свойств. Имеющаяся информация говорит, что главный путь эволюции — это комбинаторика. В ходе эволюции на основе некоторого набора функциональных блоков, сформировавшихся на начальных этапах эволюции, возникали новые, иногда принципиально новые системы. Это не означает, что функциональные блоки не менялись. Тем не менее основной путь формирования сложных функциональных комплексов на уровне клеток, тканей, органов и систем происходил в результате комбинации функциональных блоков в комплексы первого, второго, третьего и более высоких порядков. Рекомбинация функциональных блоков всегда достигается изменением набора блоков, их соотношении, взаимодействий в пространстве и времени и т.д. Именно так происходит превращение секреторной клетки во всасывающую, т.е. клетки, обеспечивающей сохранение воды, в клетку, обеспечивающую сохранение солей.

Общность на уровне элементарных функций и функциональных блоков является продолжением той общности, которая ранее была обнаружена на уровнях атомного состава и простых органических молекул, служащих строительными блоками. Такое единство — предпосылка для взаимодействия отдельных компонентов экосистемы и биосферы. Суть и причина единства заключаются в том, что для циркуляции веществ и жизни на планетарном уровне необходимы трофические цепи. Для формирования трофических круговоротов и трофических цепей обязательно единство элементарной структуры. Однако для жизни необходимо, чтобы макроструктура была бы также близкой или идентичной, так как усвоение пищи предполагает, что гидролизуемые связи во всех случаях одинаковы.

Возникает вопрос, не противоречит ли концепция функциональных блоков представлениям об эволюции на молекулярном и близком к нему уровнях? Однако в этой связи следует отметить, что возможность рекомбинаций функциональных блоков можно справедливо рассматривать как эволюционный процесс, поразительный по богатству своих возможностей. Примером этому служит эволюция генетического аппарата и других информационных систем, где рекомбинация становится основным механизмом. В ряде случаев идея о существовании универсальных функциональных блоков не только не отвергает их изменений, но и постулирует ускоренную эволюцию. Эта же идея позволяет понять случаи поразительного консерватизма некоторых молекул или их частей на протяжении огромных отрезков времени. Наконец, единство функциональных блоков реализуется на уровне экосистем. Если бы не существовало подобного единства, то члены одного и того же сообщества были бы разобщены, а существование сообщества было бы невозможно.

Сравнительная физиология свидетельствует, что общность функциональных блоков не только обеспечивает трофические взаимодействия, но и превращает сообщества организмов в единые взаимодействующие системы. Вместе с тем такая общность служит причиной, из-за которой человек становится особенно опасным противником природы. Полагая, что выработанное им ядовитое вещество действует лишь на растения или животные одного вида, человек часто оказывает огромный вредный эффект на растения или животные многих других видов, нанося неисчислимый экологический ущерб. Следовательно, концепция универсальных функциональных блоков позволяет понять особенности современного мира и природы, а также взаимоотношения человека и природы.

Наконец, становится ясно, что физиология должна перейти к изучению более высоких иерархических уровней, чем организм, т.е. к популяционному, экосистемному и биосферному. В конечном итоге будут сформированы две области физиологии: 1) физиология популяций, которая должна стать важной частью экологической физиологии; 2) популяционная физиология, рассматривающая варьирование физиологических признаков и свойств популяциониого генофонда и фонда функциональных блоков, а также их изменения под влиянием различных эволюционных факторов.

Глава 7

НЕКОТОРЫЕ СЛЕДСТВИЯ КОНЦЕПЦИИ УНИВЕРСАЛЬНЫХ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ БЛОКОВ

Каждый функциональный блок (или ограниченное число блоков, так называемые изоблоки), реализующий определенную элементарную функцию, универсален в том смысле, что выполняет соответствующую функцию в клетках животных, растений, грибов, простейших, а в некоторых случаях даже у прокариотов. Точно так же одни и те же функциональные блоки осуществляют одни и те же функции в разных органах и разных клетках независимо от их функциональной специализации. Специализация и специфичность достигаются в результате специфических сочетаний или специфического расположения функциональных блоков. Такое представление находится в противоречии с фундаментальными концепциями, положенными в основу ряда прикладных аспектов современной биологии и медицины, в частности в основу взглядов на действие лекарственных препаратов, токсических веществ, различных методов борьбы с паразитами и вредителями сельскохозяйственных культур и др. Попытаемся рассмотреть некоторые следствия, вытекающие из концепции функциональных блоков.

7.1. «Синдром общих блоков»

Концепция универсальных функциональных блоков вводит нас в новую область медицины, относящуюся к молекулярным заболеваниям. В настоящее время уже обнаружены заболевания, которые должны быть истолкованы с позиций этой концепции. Такие заболевания, по-видимому, могут возникать при нарушении различных блоков: ферментных, транспортных, регуляторных, сократительных и др. По-видимому, со временем будет обнаружено много различных форм патологии, где применение концепции универсальных функциональных блоков будет особенно плодотворно. Сейчас обратим внимание лишь на несколько заболеваний. Рассмотрим дефекты транспорта аминокислот. Оказалось, что это — системные заболевания, но дефектность транспорта аминокислот проявляется в тех случаях, когда дублирующие или вспомогательные механизмы (например, пассивный перенос) не могут компенсировать основного нарушения.

Генетические дефекты какого-либо транспортера в тонкой кишке не могут быть локальными, так как нарушение синтеза блока имеет место в клетках всех органов. Например, при болезни Хартнупа в тонкой кишке нарушается всасывание нейтральных аминокислот, что обнаруживается также в почечных канальцах и в других органах и тканях. При цистинурии наблюдаются комбинированные нарушения транспорта диаминомонокарбоновых кислот и цистина как в тонкой кишке, так и в почечных канальцах. Иминоглицинурия исследована недостаточно, однако все сходятся на том, что дефекты реабсорбции пролина, гидроксипролина и глицина в почечных канальцах сочетаются с дефектами всасывания этих трех аминокислот в топкой кишке. При синдроме Фанкони нарушается реабсорбция всех аминокислот из гломерулярного фильтрата почки, так же как и других компонентов первичной мочи, в частности глюкозы, фосфата и т.д. Поэтому картина, обнаруживаемая в данном случае, существенно отличается от той, которую мы приводили как характерную для блоковых синдромов. Так, в одних случаях нарушения транспортных процессов в почках вызываются известными токсинами, в других патогенный фактор остается неизвестным. Предполагается, что дефекты кишечного транспорта при синдроме Фанкони, по-видимому, происходят по другому типу, чем в почках, так как наблюдается лишь слабая корреляция между двумя такими симптомами. Дефекты транспорта в тонкой кишке были описаны под названием синдрома Лоува, который рассматривается как наследственный. Этот рецессивный синдром является одним из вариантов синдрома Фанкони. В дополнение к почечной недостаточности при синдроме Фанкони может иметь место умственная отсталость и дефекты зрительного анализатора (катаракта, глаукома и слепота). Высказывается гипотеза, что синдром Фанкони связан с общими нарушениями метаболизма в организме.

Кроме описанных заболеваний наблюдаются такие, как изолированная малабсорбция метионина, триптофана и других аминокислот. Помимо врожденных «блоковых синдромов» вероятны синдромы, возникающие по ходу других заболеваний. Это может быть связано с тем, что, например, выделяемые токсины, в частности холерный токсин, не только оказывают влияние на кишечный эпителий, но стимулируют аденилатциклазу всех клеток. Это приводит к повышению уровня цАМФ. Анализ механизмов развития этого синдрома позволяет полагать, что он должен быть распространен весьма широко.

Таким образом, ряд заболеваний относится не к органным, а к заболеваниям определенной системы блоков, в результате чего страдают клетки разных типов. То же самое справедливо в отношении дефектов гена, контролирующего опосредованный рецепторами эндоцитоз. Этот процесс нарушается во всех типах клеток, хотя в разных случаях он выполняет разную функцию. Превращение локального заболевания в общее усиливается под влиянием системных лекарственных препаратов, направленных на изменение определенных типов блоков. При этом достигается улучшение функций одних органов больного, но нарушение функций других органов.

Таким образом, ряд заболеваний относится не к органным, а к молекулярным, т.е. к нарушениям определенных типов функциональных блоков, в результате чего страдают различные типы клеток в различных органах. Важно, что нарушение всасывания некоторых аминокислот приводит к нарушению психических функций, как например при болезни Хартнупа.

В силу распространенности функциональных блоков каждого типа генерализация патологии па этом уровне является одним из существенных, но недостаточно учитываемых путей. Следует также иметь в виду, что путь, по которому происходит генерализованное химическое воздействие на организм человека, представляет собой одну из центральных проблем теоретической химиотерапии,

7.2. О полезных и побочных эффектах лекарственных веществ

Современные идеи лекарственной терапии сформулированы на границе прошлого и нашего веков одним из гигантов экспериментальной биологии и медицины Паулем Эрлихом. Его идея опиралась на существование высокоспецифических рецепторов, которыми обладает данный вид, организм, орган, ткань и, наконец, клетка. Иными словами, идея заключалась в создании лекарств, которые связывались бы лишь со специфическими рецепторами по принципу идеальной системы «ключ—замок», в которой ключ отпирает только свой замок и не взаимодействует с другими.

Эрлих верил, что искусно сконструированный ключ подходит лишь к своему замку. Эта идея стала вдохновляющей для многих поколений врачей и химиков. Как и Эрлих, они исходили из того, что в ходе эволюции возникли высокоспецифические молекулы и высокоспецифические взаимодействия. В результате этого появлялась возможность для совершенно определенных типов молекул находить строго определенные точки в соответствующих органах и составляющих их клеточных структурах. Таким образом, создавалась как бы волшебная лекарственная пуля. Но звездный час большой химиотерапии, казавшийся столь близким в первом десятилетии нашего столетия, так и не наступил. Волшебная пуля не была создана. Попытаемся разобраться, почему.

Для создания волшебной пули Эрлих и его последователи синтезировали лекарства в виде гибридных молекул. Последние состояли из высокоспецифического носителя определенного адресата и менее специфического повреждающего агента, разрушающего источник болезни (будь это бактерия, находящаяся в глубине клетки организма, или больная клетка). Эрлих, как известно, осуществил синтез неосальварсана, который должен был убивать находящуюся в организме бледную спирохету, не повреждая сам организм. Препарат дал большой терапевтический эффект, но, как выяснилось несколько позднее, он вызывал многочисленные и тяжелые побочные эффекты. Было решено, что ключ сработан не идеально и поэтому открывает многие замки.

Однако до настоящего времени не сделано ни одного идеального ключа. Это можно объяснить блоковым принципом построения организмов. В этом случае нежелательные побочные эффекты обусловлены тем, что даже идеальный ключ открывает замки не только той двери, которую хотел открыть врач, но все двери, из которые поставлены замки.

Недавно переиздана сводка «Побочные действия лекарственных средств» (Под ред. М. Н. Г. Дюкса. М.: Медицина, 1983. 560 с.). Ее можно рассматривать как своеобразную энциклопедию неблагоприятных реакций на лекарственные препараты. Просматривая эту важную сводку, можно видеть, что создано неисчислимое количество лекарств со всевозможными желательными эффектами, т.е. такими, ради которых и создаются лекарственные вещества. Но в то же время нет ни одного лекарственного вещества, лишенного нежелательных эффектов, которых следует по возможности избегать и которые снижают терапевтическое воздействие.

Во многих случаях удается показать, что бактерии и высшие организмы имеют общие функциональные блоки, на которые действуют лекарственные агенты. Различия в чувствительности легко объяснимы, если иметь в виду, что блоки включены в разные системы, защищены различными предварительными фильтрами и т.д.

С позиций концепции универсальных функциональных блоков можно объяснить, почему многие лекарственные средства, используемые при лечении неинфекционных заболеваний, вызывают ряд нежелательных и, казалось бы, далеких эффектов. Так, сердечные гликозиды, применяемые при сердечной недостаточности, тормозят деятельность натриевого насоса. Эти препараты улучшают многие свойства сердечной мышцы, но одновременно, как подчеркивалось выше, действуют на тот же насос, локализованный в мембранах клеток почки, пищеварительного аппарата, печени, нервных клеток и т.д., влияя на многие другие функции. В руках умелого врача нежелательные эффекты окажутся минимальными, но даже такой врач не способен предотвратить общего действия сердечных гликозидов, которое лежит в самой природе нашего организма,

Известно, что антипсихотическое влияние диазепама и трифлуоперазина связано с образованием Са2+-кальмодулинового комплекса. Этот комплекс служит индуктором секреции хлора и вероятного выхода ионов натрия и воды в полость тонкой кишки. На этом основании можно предположить, что антипсихотические вещества должны тормозить кишечную секрецию вообще и, в частности, снимать симптомы холероподобной диареи. Это предположение получило подтверждение в начале 80-х гг. В соответствии с развиваемой концепцией, следует думать, что агенты, которые эффективны в отношении диареи, вызванной первичной секрецией хлора кишечными клетками, будут в качестве вторичного эффекта обладать успокаивающим психотропным действием. Действительно, недавно синтезирован лоперамид, характеризующийся нежелательными влияниями на центральную нервную систему. Существование общих функциональных блоков приводит к тому, что многие психотропные вещества вызывают соматические сдвиги. В частности, речь идет о веществах, корригирующих психическую деятельность через регуляцию различных ионных каналов. Ясно, что эти вещества будут оказывать такое же или сходное действие на идентичные каналы, локализованные в других структурах — секреторных, экскреторных, двигательных и т.д. При взимодействии лигандов со своими рецепторами будут выявляться многие неожиданные эффекты, также связанные с универсальными функциональными блоками и универсальными функциями, например с опосредованными рецепторами эндоцитозами.

Можно привести много примеров, когда вещества, первоначально синтезированные для контроля пищеварительных функций, впоследствии получили широкое применение при лечении заболеваний почек, так как в основе их использования лежит действие на определенные типы функциональных блоков.

Часто при неравномерном распределении определенных функциональных блоков, например рецепторных, складывается превратное впечатление о возможности создания идеальных, т.е. не имеющих побочных эффектов, лекарственных препаратов. Все до сих пор известные случаи такого рода, к сожалению, были заблуждением. Это касается, в частности, веществ, сцецифически блокирующих Н_2-рецепторы, участвующие в регуляции выделения соляной кислоты желудочного сока и имеющие отношение к формированию язвы желудка.

Более 10 лет тому назад было обнаружено, что гистамин служит физиологическим стимулятором кислой желудочной секреции, причем его эффект реализуется при связывании с двумя типами рецепторов, получившими название H_1- и Н_2-рецепторы (табл. 19). Предполагалось, что Н_2-рецепторы локализованы только в клетках желудка и их блокада приведет к избирательному снижению кислой желудочной секреции. Недавно был синтезирован специфический блокатор Н_2-рецепторов — циметидин. Первоначально казалось, что идея идеального лекарства решена, но затем было обнаружено, что циметидин вызывает нервные и психические расстройства, нарушение гормональных функций, в том числе функций половых желез, в некоторых случаях — опухоли, гинекомастии, нефриты, нарушение иммунной системы организма и т.д.

Классификаций рецепторов гистамина

H_1-рецепторы

Н_2-рецепторы

Сокращения гладкой мускулатуры желудочно-кишечного тракта и дыхательных путей

Ослабление сокращений гладкой мускулатуры матки, сердечная хронотропия, стимуляция кислой желудочной секреции

Ослабление сокращений гладкой мускулатуры кровеносных сосудов

Ослабление сокращений гладкой мускулатуры кровеносных сосудов

Недавно появился препарат ранитидин, который, как и циметидин, является специфическим конкурентным антагонистом гистамина при связывании с Н_2-рецепторами и высокоэффективным ингибитором кислой желудочной секреции. Его эффективность по сравнению с циметидином в 5—10 раз выше, а срок действия во столько же раз продолжительнее. Считается, что ранитидин исключительно селективен в отношении H_2-рецепторов и не связывается с рецепторами в центральной нервной системе и рецепторами андрогенов, т.е. не оказывает влияния на нервную систему и не препятствует эффектам мужских половых гормонов. Но следует напомнить, что в период, когда начинались первые исследования циметидина, также сообщалось об отсутствии у этого препарата побочных эффектов. Можно думать, что позднее такие эффекты будут обнаружены и у ранитидина. Уже сейчас появляются тревожные сигналы. В частности, ингибирование кислой желудочной секреции ранитидином, как и циме-тидином, является потенциально канцерогенным фактором.

Одной из основных причин побочных эффектов подобных лекарственных препаратов является то обстоятельство, что Н_2-рецепторы локализованы не только в клетках желудка, но я в клетках печени, сердца, нервной ткани (в частности, гипоталамуса) и даже в лимфоцитах.

7.3. Другие проблемы медицины

Концепция универсальных функциональных блоков существенно влияет на понимание патологии, геронтологии, фармакологической регуляции различных видов стресса и т.д. Достаточно вспомнить, что С-концевые фрагменты гастрина и холецистокинина выполняют функции нейромедиаторов или нейромодуляторов. Ясно, что при гастринемиях возникают нарушения не только регуляции проксимального комплекса желудочно-кишечного тракта, как это предполагалось до сих пор, но и многих нервных и вегетативных функций организма. Одним из достижений современной биологии явилось доказательство возможности дублирования функций на уровне продукции физиологически активных веществ. Продукция одноименных пептидов в гипоталамо-гипофизарной и кишечной системах далеко не единственный пример этому.

Тем не менее способность желудочно-кишечного тракта и гипофиза выделять АКТГ, вероятно, не означает, что идентичные молекулы выполняют идентичные функции в организме. Скорее, у них имеются общие звенья. Например, оба гормона включены в общий контур саморегуляции: кора надпочечников—продукция АКТГ. Однако нами выявлено, что Именно выключение различных отделов желудочно-кишечного тракта приводит к исчезновению специфического динамического действия пищи. Поэтому было бы привлекательно думать, что в то время как гипоталамо-гипофизарно-надпочечниковая ось связана с ситуационными стрессами, гастроэнтеро-надпочечниковая ось связана с нутритивно-метаболическими процессами. Возможно, именно поэтому взаимные компенсации функций различных органов не всегда бывают полными, даже если органы продуцируют молекулы идентичных типов.

Универсальность функциональных блоков, по-видимому, служит тем важным механизмом, который позволяет контролировать процессы синтеза и деградации блоков определенного типа в организме. Существуют факты о гомеостатировании гормональных пулов печенью и о том, что заболевания печени, приводящие к нарушению контроля в результате ослабления процессов деградации, провоцируют явления гипергормонемии.

С точки зрения концепции универсальных функциональных блоков механизмы гомеостатирования приобретают новые стороны. Если имеется один источник гормона, то ослабление синтеза в нем приводит к снижению уровня гормона в крови и уменьшению гормонального пула. Регуляция достигается благодаря стимуляции синтеза в единственном источнике гормона или в уменьшении скорости деградации соответствующего гормона. Если же существует несколько источников одного и того же гормона, то ослабление синтеза в одном источнике может быть нормальной реакцией на усиление синтеза в других источниках. Следовательно, такая реакция является физиологическим следствием взаимодействия в пределах группы структур, продуцирующих идентичный тип блоков.

Таким образом, развиваемая концепция имеет ряд важных следствий для медицины, хотя пока рассмотрены лишь отдельные примеры громадной области и почти не затронут аспект разветвленных генезов любого патологического состояния.

Все вышесказанное заставляет нас отказаться от упрощенного взгляда на проблему специфичности, так как в большинстве случаев рецепторы, хотя и в различных соотношения, представлены в разных органах.

С этой точки зрения побочные эффекты являются уже не результатом недостаточно искусно изготовленного ключа, а ошибками в принципах конструирования даже не замка, а здания в целом. Надо полагать, что при гормонотерапии идея локального воздействия также во многих случаях окажется ошибочной, ибо уже сейчас накапливаются сведения о широкой распространенности рецепторов для так называемых локально действующих гормонов.

Вопрос о специфичности взаимодействий определенных химических веществ с различными организмами, относящимися к разным систематическим группам, служит предметом сравнительной фармакологии и, в частности, сравнительной токсикологии. Можно ли, исходя из сравнительной фармакологии эффектов различных веществ, добиться избирательного подавления одних видов организмов, не задевая остальные? Можно ли, вводя в среду определенные вещества, стимулировать рост одних популяций, не влияя на другие члены данной экосистемы, которые близки не только пространственно к регулируемой популяции, но и связаны с ней трофическими и другими связями?

По-видимому, существует различная видовая чувствительность к одному и тому же агенту в пределах, например, одного класса млекопитающих. Так, чувствительность холинорецепторов скелетных мышц к миорелаксаптам может варьировать довольно значительно. Доза декаметония, вызывающая паралич скелетных мышц у крыс, должна быть примерно в 100 раз выше, чем для кур, кошек и человека, а тубокурарина, напротив, в несколько раз ниже, чем для кур, кошек, собак и человека. Далее, у разных организмов имеются существенные различия во времени полураспада одного и того же соединения, что влияет на его токсические и регуляторные эффекты. В качестве примера можно привести гексобарбитал, время полураспада которого у мыши составляет 19 мин, у кролика — 60, у крысы — 140, у собаки — 260 и у человека — 360 мин.

С другой стороны, сигнальные и рецепторные блоки характеризуются большим сходством, а по многим признакам и идентичностью не только у представителей различных видов одного семейства или класса, но также разных классов, типов и даже царств. Е. Флори

в 1972 г. писал, что не существует примитивного медиатора, из которого развился бы другой, более эффективный. Клетки мозга человека производят те же медиаторы, что и нервные клетки низших червей. Действительно, у плоских червей, членистоногих, иглокожих и позвоночных используются одни и те же медиаторы, такие, как ацетилхолин, некоторые катехоламины, глутамат, гамма-аминомасляная кислота, глицин, 5-окситриптамин и АТФ-подобные вещества, обладающие медиаторной функцией.

В нервной системе животных разных типов существуют определенные различия в локализации и функциях нейронов, продуцирующих идентичный медиатор. При этом на разных .филогенетических линиях нейроны, продуцирующие такой медиатор, выполняют различные функции. На этом основании выдвинута гипотеза полигенеза нейронов, согласно которой нервные клетки возникали в ходе эволюции многократно и происходили из разных источников. Предполагалось, что системы, синтезирующие разные медиаторы, сформировались очень давно и в ходе эволюции и естественного отбора число медиаторов могло сократиться. Многие медиаторы появились раньше, чем нервные клетки. Это означает, что с точки зрения сравнительной фармакологии нет оснований искать инсектициды, абсолютно специфические для организмов определенных видов. Поэтому необходим поиск новых идей в области химии, в частности идей, касающихся синтеза быстро деградирующих регуляторов или инсектицидов, пестицидов, гербицидов и т.д., легко разрушающихся при кулинарной обработке пищи и не представляющих опасности для здоровья населения. Такой инсектицид должен метаболизироваться и детоксицироваться в организме человека и большинства млекопитающих гораздо быстрее, чем у насекомого-вредителя.

7.4. Адаптационно-компенсаторные реакция на уровне функциональных блоков

Рассмотрим три примера развития адаптационно-компенсаторных реакций на основе концепции универсальных функциональных блоков.

Адаптация поджелудочной железы к качеству пищи. Способность желудочного и панкреатического соков расщеплять растительные и животные белки (протеазная фитолитическая и зоолитическая активность соответственно) находится в зависимости от качества диеты. Предполагалось, что столь тонкие адаптивные изменения протеолитического спектра поджелудочной железы могут зависеть либо от модификации свойств панкреатических протеаз (например, появления разных форм химотрипсина и т.д.), либо от изменения в соотношении трипсина и химотрипсина в панкреатическом соке. Нами выявлено, что в зависимости от типа питания наблюдаются изменения именно сооотношения основных панкреатических ферментов (трипсина и химотрипсина), т.е. изменения соотношения функциональных блоков, а не их свойств.

Адаптация к ионным нагрузкам. Недавно обнаружено, что при хроническом поступлении калия в организм последний становится устойчивым к таким нагрузкам, которые у неадаптированных организмов вызывают смерть. Следовательно, возникает толерантность к калию. Такая адаптация включает в себя множество механизмов, в том числе усиленное выведение ионов калия из внутренней среды почками и слизистой толстой кишки. Анализ функций этих органов показал удивительное сходство реакций. Эпителиальные клетки дистального отдела почечных канальцев и толстой кишки (ее проксимальных и дистальных отделов) отвечают на гиперкалиемию усиленным откачиванием калия в люминальную жидкость. В обоих случаях этот процесс достигается увеличением количества таких насосов, как Na+,K+-ATФaзa, в базолатеральных мембранах клеток.

Таким образом, первоначальное предположение об изменении активности каждого насоса, а не только их количества не подтвердилось. Эта реакция дает убедительный пример того, что адаптация к изменению солевого режима может достигаться путем увеличения или уменьшения числа неизменных функциональных блоков, в данном случае Na+,K+-ATФaз. Этот же эффект, т.е. усиленная функция Na+,K+-ATФaза за счет увеличения количества функционирующих элементов, определяет адаптивный подъем уровня всасывания в тонкой кишке. По-видимому, в качестве регулирующего сигнала используется повышение концентрации альдостерона в крови. Дистальные почечные канальцы и слизистая толстой кишки служат органа-ми-мишенями альдостерона. Усиленная продукция альдостерона при понижении поступления в организм натрия также сопровождается увеличением активности Na+,K+-ATФaзы. Среди деталей этого адаптационного механизма существенную роль играют изменения мембранных потенциалов и использование перицеллюлярных путей.

Одним из экспериментальных подтверждений существования адаптационных перестроек за счет перераспределения функциональных блоков служит недавнее наблюдение. В нем показаны адаптивные перестройки, обеспечивающие высокую проницаемость воды под влиянием антидиуретического гормона в результате встраивания предсуществующих стандартных блоков, транспортирующих воду и ионы натрия (рис. 45).

Рис. 45. Возможная схема эффектов антидиуретического гормона (АДГ) на потоки Na+ и воды.

АДГ активирует предсуществующие неподвижные натриевые каналы апикальной мембраны клетки и мобилизует цитоплазматические везикулы, которые сливаются с этой мембраной, увеличивая проницаемость эпителия для воды и транспорт Na+.

Адаптационно-компенсаторные реакции при патологии. Недавно Т. Чаки и Е. Фишер подвергли анализу нерасшифрованный феномен усиления всасывания глюкозы в тонкой кишке при экспериментальном диабете, вызванном аллоксаном или стрептозотоцином. Они установили, что после возникновения диабета у крыс усиленное всасывание глюкозы в тонкой кишке стимулируется не недостатком инсулина, не прямым действием диабетогенных веществ непосредственно на кишечные клетки, а повышением уровня сахара в крови. Существенна обнаруженная высокая специфичность этого процесса. Так, повышение в крови уровня глюкозы после ее внутривенного введения сопровождается преимущественным усилением глюкозного транспорта в тонкой кишке. После введения галактозы наблюдается резкое повышение галактозного транспорта. Транспорт фруктозы также увеличивается после ее внутривенного введения. Транспорт глюкозы усиливается после внутривенпого введения всех других сахаров, что понятно, если учесть, что инфузия всех пх сопровождается повышением уровня глюкозы в крови. Эффект связан, как и в случае адаптации к калиевым нагрузкам, с усиленным синтезом новых транспортных единиц и может быть предупрежден введением циклогексимида.

Анализ природы и локализации транспортеров, вновь синтезированных при адаптации к высокому уровню сахара в крови, показал, что они локализованы, по-видимому, в базолатеральной мембране кишечных клеток и чувствительны не к флоридзину, а к флоретину. Как известно, первый ингибирует преимущественно транспортеры глюкозы, локализованные в апикальной мембране клеток, а второй — в базолатеральной. Хотя, как пишут авторы, природа подобных явлений неизвестна, эти результаты перекликаются с нашими данными о существовании транспортно-метаболических циклов, в частности энтерогематической циркуляции глюкозы. Действительно, нами продемонстрировано, что в тонкой и толстой кишке выделяется и реабсорбируется значительное количество жидкости. Скорость реабсорбции глюкозы такова, что обеспечивает полную реутилизацию этого и, по-видимому, других ценных компонентов крови. При диабете возникает повышенное выделение глюкозы с мочой и вместе с тем индукция реабсорбционных процессов, что, вероятно, предупреждает значительные потери глюкозы. Возможно, этот механизм является общим для всех тканей, я том числе и для почек,

В целом развитие компенсаторных процессов на фоне патологии также подчиняется тем закономерностям перестроек, которые реализуются за счет изменения (увеличения или уменьшения) числа функциональных блоков или их перераспределения.

7.5. Побочные эффекты и организация экосистем

Идея активного управления природой давно овладела человечеством. Она появилась раньше, чем было достигнуто понимание опасности и неоднозначности такого вмешательства. Стратегия химических воздействий человека на природу базировалась на двух посылках. Первая заключалась в том, что человек достаточно ясно представляет себе связи между отдельными явлениями природы и биоценозами, вторая — что он достаточно хорошо понимает природу каждого явления, происходящего в окружающем нас мире. На этом основании предпринимались попытки избирательно уничтожить или увеличить определенную популяцию, заменить одну популяцию другой, один тип биогеоценозов другим и т.д. Однако во всех случаях раньше или позже в том или другом регионе возникали неожиданные и часто весьма нежелательные последствия. Обратим внимание на ту сторону проблемы, которая связана с концепцией универсальных функциональных блоков.

Когда человек пытался уничтожить определенную популяцию растений или животных, например насекомых, казалось, что он выработал вещества, обладающие высокой или абсолютной избирательностью в отношении насекомых данного типа. Так было с паразитическими насекомыми (клопами, вшами и многими другими), когда был разработан казавшийся особенно эффективным ДДТ. Однако специфичность ДДТ слишком широка. Именно на основе открытия пуринергических и аминоацидергических нервов у насекомых был достигнут токсический эффект, направленный только против насекомых. Оказалось, что побочные эффекты касаются также высших животных и человека. Вскоре последовали открытия аналогичных типов иннервации и у всех других организмов. Более того, кроме эффектов заноса токсикантов наблюдаются эффекты их концентрирования в пищевых цепях. В результате этого во многих случаях вещества, поступающие в незначительных количествах в организм насекомых, концентрируются, например, в организме птиц, что приводит к их гибели. То же самое можно сказать и в отношении гербицидов. Другими словами, концепция универсальных функциональных блоков приводит к тому, что во взаимоотношениях человека с природой именно в силу общности блочной структуры и единства принципов функционирования необходимы высокая осторожность и высокая подготовленность.

В ряде случаев вещества, которые неэффективны сами по себе, могут действовать после их трансформации. Так, многие стероидные гормоны, в том числе экдизон, действующие на насекомых, не оказывают влияния на человека, но, трансформируясь бактериальной флорой его желудочно-кишечного тракта, превращаются в активные стероиды.

Наконец, универсальность функциональных блоков требует осторожности при применении не только пестицидов, инсектицидов, гербицидов и т.д., но и активирующих веществ, например различных стимуляторов роста растений и сельскохозяйственных животных. Использование стимуляторов роста является проблемой, заслуживающей пристального внимания. Она должна быть проанализирована со всей тщательностью.

***

Трудно перечислить все проблемы, вытекающие из концепции универсальных функциональных блоков. Казалось важнее рассмотреть возможности, открываемые этой концепцией, и ограничения, накладываемые ею. Представлялось существенным показать на нескольких теоретических и практических примерах особенности блокового подхода к пониманию и интерпретации ряда феноменов.

Существование универсальных функциональных блоков приводит в соответствие понимание «генетических» сторон жизни, в основе которых лежит функциональная информационная единица — ген, и «физиологических» сторон жизнедеятельности, в основе которых также лежит функциональная единица — функциональный блок. Эволюция путем рекомбинации функциональных блоков — в высшей степени сложный процесс, так же как и эволюция путем рекомбинации генов. В обоих случаях эволюция не исчерпывается явлениями рекомбинации. Однако важность механизма требует, чтобы физиологи, а вслед за ними и генетики признали существование нескольких специальных групп генов, контролирующих места экспрессии и ее степень. Именно мутации в генах, контролирующих распределение и сочетание функциональных блоков, могут давать наиболее эффективные и перспективные новшества. Более того, естественный отбор может осуществлять селекцию генетически детерминированных вариантов с разным распределением функциональных блоков и, следовательно, с вариацией функциональных возможностей. В частности, универсальность функциональных блоков позволяет не изобретать на каждой ступени эволюционной лестницы новые системы управления, а использовать некоторые универсальные совершенные блоки.

Трофические связи в трофосфере создают базу для единства и взаимодействия особей в пределах популяции, в пределах данной экосистемы и даже в планетарном масштабе. В то же время великое единство природы создает трудности, так как яды, направленные против организмов одного вида, могут действовать на организмы многих других видов. Вмешательство человека в природу и собственный организм может приобрести подчас неожиданные формы и привести к тяжелым последствиям. Концепция универсальных функциональных блоков не исключает химического управления живой природой, но заставляет учитывать многие опасности и помогать избежать их.

Глава 8.

ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ЕСТЕСТВЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

Признание естественных технологий влечет за собой многочисленные теоретические и практические следствия, касающиеся биологии, промышленности, сельского хозяйства, медицины и т.д. Наука становится технологичной, а технология — естественнонаучной. Взаимодействие естественных процессов и технологий неизбежно. В связи с этим биосфера превращается в технобиосферу, т.е. в сложную интегральную систему, представляющую собой продукт естественных и производственных технологий. Некоторые критические замечания, которым подверглись развиваемые мною представления о естественных технологиях, связаны с непониманием того, что смысл этого понятия в настоящее время изменился.

Технология в новом понимании — это наука об организованных процессах в живой и неживой природе. Организованный процесс характеризуется определенной программой, структурой, осуществляющей данный процесс, и управляющей системой, реализующей контроль и регулирование деятельности системы. Он идет с затратой энергии и в большинстве случаев обладает некоторым эффектом. Все эти признаки являются формально общими для всех типов организованных процессов, возникших как в результате разумной деятельности человека, так и в ходе биологической эволюции. Как в первом, так и во втором случае конечные эффекты служат полезными признаками. Современная организация живых систем — результат долгого и не до конца понятого эволюционного пути. Ясно, что наше объяснение живых систем как естественных технологий является результатом первых и весьма несовершенных шагов в новом направлении. Поэтому требуются серьезные усилия, чтобы вонять естественные

технологии и открывающиеся в свете этого возможности. Для этого прежде всего необходимо выяснить принципы организации биологических процессов, причем следует помнить, что любой процесс состоит из некоторых последовательных операций. Если полезный эффект возникает лишь в результате завершения процесса в целом, то в этом случае система эволюирует как комплекс, так как отбор идет по ценности общего конечного эффекта, а не по промежуточным эффектам каждого отдельного блока, реализующего промежуточную операцию. Из рассмотрения организации биологических систем и процессов вытекает ряд принципов. Их анализ представлен мною в монографии, опубликованной в 1985 г., и кратко изложен ниже.

Принцип универсальности. Принцип гласит, что основные закономерности строения биологических систем всеобщи. Это означает, что какой-либо механизм, свойственный организмам одного вида или даже открытый у клеток организмов одной группы, будет широко распространен или универсален. Иными словами, он может быть обнаружен у организмов других видов или оказаться всеобщим. Принцип универсальности отражает общность происхождения организмов и единство структурно-функциональной организации жизни как планетарного явления, где перенос массы и энергии возможен лишь при общности ряда его компонентов. Принцип имеет существенное гносеологическое значение, так как заставляет частную закономерность рассматривать как потенциально всеобщую и искать границы ее применения. Одним из доказательств справедливости принципа служат многочисленные универсальные машины, открытые в период новой биологической революции. Кроме того, лишь на основе принципа универсальности можно понять возможность создания межвидовых клеточных гибридов и химерных организмов, а также возможность переноса информации от вида к виду и, что еще более важно, ее экспрессию. Принцип универсальности базируется на принципе блочности.

Принцип блочности. Для структуры и функции на элементарном уровне характерна дискретность, которая выражается в блоковой организации структур, осуществляющих элементарные функции (принцип блочности), и в принципе функционирования (принцип «все или ничего»). Элементарные функции реализуются с помощью определенного набора функциональных блоков. Все многообразие простых и сложных процессов может быть описано как упорядоченная работа соответствующих комбинаций функциональных блоков. Для понимания деятельности организма это важно при интерпретации таких вопросов, как формирование высокоспециализированной системы из единственной оплодотворенной клетки, как единство организма при объяснении отсутствия специфических молекулярных машин в клетках различной специализации и т.д. Принцип блочности существен для понимания высоких темпов эволюции и стабильности признаков на уровне функциональных блоков. Наконец, этим механизмом устанавливается соответствие между генетической и функциональной интерпретацией эволюционного процесса.

Принцип блочности является основой общности биосферы в целом и, в частности, трофических и других взаимодействий между ее частями. Без общих функциональных и строительных блоков было бы невозможно существование круговорота веществ в природе. В практическом смысле этот принцип объясняет неожиданные и тяжелые последствия действия гербицидов, инсектицидов и других специализированных токсикантов. Принцип блочности справедлив не только для функциональных блоков, но также на более низких уровнях (строительные блоки — аминокислоты, моносахариды, нуклеиновые кислоты и т.д.) и на более высоких уровнях (органеллы, клетки, органы, организмы и т.д.).

Принцип «все или ничего». Закон «все или ничего» установлен для возбудимых макросистем, где имеет место незатухающее возбуждение. В дальнейшем продемонстрировано, что по этому принципу работают многие информационные системы, что обеспечивает им ряд преимуществ. Распространение этого закона на деятельность функциональных блоков означает, что блок может находиться либо в состоянии покоя, либо осуществлять работу, которая является единственно возможной в данных условиях. Конкретное применение закона может быть весьма важным. Например, если активный транспорт подчиняется этому закону, то энергия переноса одной молекулы (например, глюкозы) будет одинаковой как по градиенту концентраций, так и против этого градиента. Различия, получаемые при решении термодинамических уравнений, отражают интенсивность и направление пассивной утечки. Ясно, что хотя отдельные функциональные блоки (например, насосы) полностью подчиняются закону «все или ничего», большая популяция таких блоков создает возможность для плавного градуального регулирования процесса.

Принцип эффективности. Принцип является краеугольным для естественных технологий и рассмотрен в гл. 4. Он характеризует механизмы естественного отбора, отражает некоторые общие закономерности (эволюцию структур и функций) и определяет взаимоотношения между структурой, функцией и полезными (или вредными) эффектами в ходе эволюции. В нем утверждается, что при естественном отборе происходит накопление полезных и элиминирование вредных биологических эффектов. Следствие этого — изменение структурных и функциональных признаков, реализующих такие эффекты. Состояние системы приближается к равновесию между полезностью признака (его полезным эффектом) и его «стоимостью», т.е. отрицательным по своему биологическому значению эффектом, а соотношение между ними может меняться под влиянием внешних и внутренних факторов. Принцип эффективности служит основой для анализа физиологического и биологического значений любых живых систем. Одновременно в нем утверждается наличие побочных признаков, которые являются обязательным компонентом полезного эффекта. На основе этого принципа разъясняется отсутствие идеальных биологических систем и невозможность достижения коэффициента полезного действия, равного 1. Противоречие, существующее между полезным (при определенной организации и в определенных условиях) эффектом и «отрицательным эффектом», или биологической стоимостью функции как совокупности метаболических затрат, позволяет объяснить многие особенности эволюции.

Знакомство с популяционной генетикой и с понятием платы за отбор побудило меня ввести понятие платы за метаболизм. По всей вероятности, в биологии подобные явления со временем будут описаны законами, характеризующими важные негативные эффекты и отражающими плату за еще более важные позитивные эффекты. В соответствии с принципом эффективности негативные эффекты будут стремиться к уравновешиванию с полезными. Принцип эффективности позволяет приблизиться к пониманию как специализации и дивергентной эволюции функций, так и к конвергенции в тех случаях, когда развитие идет по пути отбора сходных биологических эффектов.

Таким образом, эволюция происходит под контролем полезных биологических эффектов функции, а также метаболической «стоимости» этой функции, которую можно рассматривать как негативный биологический эффект и своеобразный селективный груз, определяющий тенденцию к уменьшению функции. Сохранение какой-либо функции и выполняющих ее структур на определенном уровне в течение длительного периода времени отражает равновесие этих двух тенденций.

Принцип сохранения. Законы сохранения вещества и энергии относятся к числу фундаментальных всеобщих законов. Их применение к объяснению основных процессов жизни на всех уровнях организации И. М. Сеченов считал наиболее важным итогом естествознания XIX в. Для живой природы характерно формирование процессов и механизмов активного поддержания постоянства основных свойств данной системы. Эта способность развивается и возрастает в ходе филогенеза и объединяется термином «гомеостаз», включающим в себя как состояние, так и процессы, обеспечивающие его.

Гомеостатирование в широком смысле представляет собой поддержание постоянства основных биологических и физико-химических констант. Это понятие является основным в современных интерпретациях таких различных явлений и состояний, как здоровье и болезнь, сохранение окружающей среды и биосферы. Это же понятие применяется к работе различных технических устройств и комплексов. Принцип гомеостаза — один из наиболее фундаментальных в жизнедеятельности систем и свойств этих систем. Он справедлив по отношению к любой конкретной живой системе (от клетки до биосферы), а также для эволюции в целом. За малыми исключениями филогенетический аспект принципа гомеостаза может быть сформулирован как принцип возрастания гомеостаза в ходе эволюции. Однако уже сейчас ясно, что принцип гомеостаза состоит из семейства более частных принципов, например принципа гомеорезиса и гомеоморфоза. Действительно, гомеостатироваиие находит отражение в принципе гомеорезиса, т.е. в поддержании постоянства скоростей реакций. Недавно показано существование структурного аспекта гомео-статирования — принципа гомеоморфоза, т.е. принципа поддержания структуры, характерной для данной системы независимо от уровня ее функционирования.

Возникает вопрос, в какой степени можно говорить о принципе поддержания постоянства молекулярного состава. В его пользу свидетельствует хорошее соответствие между потерей и потреблением веществ, обеспечивающих идентичность молекулярного состава системы и ее частей в течение длительного времени. Однако при коротких интервалах времени наблюдаются нарушения между притоком и оттоком веществ и, следовательно, значительные колебания их содержания в самой системе. По-видимому, в этом случае понятие постоянства следует относить к определенным масштабам времени, что тесно связано с принципом циклизации.

Принцип циклизации. На всех уровнях организации (от клеточного до планетарного) биологические системы (точнее, процессы) частично или полностью циклизированы. Так, очевидна циклизация окислительных процессов на уровне трикарбоновых кислот, а также на уровне эндо- и экзоцитозов, при которых фрагменты мембраны совершают циркуляцию, реализуя функции клеточной трофики, рецепции, экскреции и т.д. Примером циклизации функций на уровне органов и систем может быть энтерогематическая циркуляция натрия, глюкозы и других компонентов крови. Возможно, наиболее сложным и совершенным выражением циркуляции молекул, надмолекулярных комплексов и клеток в организме как системе служит кровообращение. Цикличность характеризует также взаимоотношения в пределах экосистем и биосферы, где происходит циркуляция массы и энергии. По всей вероятности, принцип циклизации входит в число важнейших принципов, обеспечивающих высокую эконо-мичность и эффективность живых систем благодаря многократному использованию одних и тех же структур. Циклизация также обеспечивает согласование всех компонентов, реализующих многоэтапный процесс. Наконец, в циклах возможно наиболее совершенное гомеостатирование процесса и управление им. Многие системы, рассматриваемые как линейные, по всей вероятности, со временем будут охарактеризованы как циклические с входами и выходами, а в некоторых случаях — с несколькими входами и выходами. Это имеет место в цикле Кребса и других биохимических циклах на субклеточном уровне или в системах энтеро-гепатической циркуляции и циркуляции крови в тканях и организме. Циклизация систем определяет многие эволюционные особенности функций, в том числе их устойчивость.

Принципы множественности. Выше подчеркивалось значение принципов мультифункциональности и мультипотентности. Они являются общими не только для эволюции функций, по и для их организации. Принцип мультифункциональности гласит, что каждая сложная структура имеет более чем одну функцию. Для эволюции это служит исходным условием последующих разнонаправленных специализаций. В пределах одного организма большинство органов мультифункционально, что создает широкие возможности для значительных структурных и функциональных перестроек. В основе последних лежит изменение соотношения соответствующих функциональных блоков, результатом которого может быть уменьшение одних и увеличение других биологических эффектов.

Мультифункциональность системы не следует смешивать с мультипотентностью, которая отражает не менее важное свойство — участие системы в качестве функционального блока в выполнении различных функций. Для самих блоков мультифункциональность не характерна. Напротив, их отличает приспособленность к реализации одной операции без постепенного перехода к другой. В то же время, соединяясь с рядом других функциональных блоков, данный блок приобретает способность участвовать в разнообразных процессах, т.е. он мультипотентен, или полипотентен. Эволюционно мультипотентность служила основой для конструирования самых сложных структур, включая структуры, ответственные за интеллект. Принцип мультипотентности, вероятно, преобладает на молекулярном уровне организации, а принцип мультифункциональности — на органном. (Речь идет о доминировании, а не об исключительности).

Принципы множественности имеют значение для понимания не только общих, но и частных закономерностей функционирования любой конкретной системы. Они образуют семью принципов, которые включают в себя, возможно, наиболее общий гипотетический принцип — принцип мультиэссенциальности.

Принцип мультиэссенциальности. Этот принцип служит более глубоким выражением явлений, которые открываются в таких свойствах живой природы, как мультифункциональность и мультипотентность. Для описания характеристик элементарных частиц этот принцип был сформулирован как принцип дополнительности, отражающий двойную (корпускулярную и волновую) природу электрона, фотона и др. Принцип мультиэссенциальности развит в связи с необходимостью подчеркнуть, что отдельные системы (молекулы, клетки, органы, организмы и т.д.) ведут, если так можно сказать, двойную, тройную или даже более сложную жизнь. Например, ранее подробно разбирались функции кишечного эпителия, который является барьерной системой, отделяющей внутреннюю среду организма от внешних агрессий. Это привело к появлению ряда защитных реакций, особых свойств кишечных клеток и межклеточных соединений и т.д. Селективно ценными признаками в этом случае являются те, которые повышают барьерные функции кишечного эпителия. В то же время этот эпителий служит пищеварительно-транспортной системой, обеспечивающей максимальный поток нутриентов во внутреннюю среду организма. Для реализации этих двух функций кишечный эпителий должен обладать диаметрально противоположными свойствами. Если бы мы имели возможность разделить эти свойства кишечных клеток в пространстве, то видели бы совершенно различные структуры — защитную и поглощающую. В некоторых случаях это можно наблюдать у насекомых. Важно, что представление о функциональной роли кишечного эпителия можно получить лишь после описания всех сторон его жизнедеятельности, казалось бы, противоречащих друг другу. К этому следует отнести, кроме того, участие кишечного эпителия в энтерогематической циркуляции (например, натрия, глюкозы и воды), необходимой для удержания жидкостей внутренней среды и постоянства последней. Следовательно, кишечный эпителий мультифункционален, мультипотентен и мультиэффективен.

Итак, деятельность кишечного эпителия имеет много «смыслов», что требует многостороннего описания. Принцип мультиэссенциальности позволяет понять особенности адаптации и эволюции, которые зависят от того, что каждая «специализация» кишечной клетки находится под контролем различных факторов эволюции, включая естественный отбор. Изменение одной из функциональных характеристик кишечной клетки может быть позитивным селективным признаком, но может оказаться негативным по отношению к другим характеристикам. Из принципа мультиэссенциальности вытекают важные следствия. В частности, для полной характеристики биологической системы необходимо несколько независимых и дополняющих друг друга описаний.

Описание организма еще сложнее, чем клетки, так как свойства организма определяются свойствами его элементов и их взаимоотношениями, а также тем, что организм является не только высшей структурой, но и как элемент входит в состав популяции, биогеоценоза и биосферы. Принцип мультиэссенциальности охватывает многие стороны биологических процессов, систем и даже жизни в целом во всем ее многообразии и подчеркивает важность этого многообразия.

Принципы управления. Многообразие и пластичность функций служат отражением различных сочетаний ограниченного, хотя и большого числа функциональных блоков и прямо указывают на первостепенную роль систем управления в организации естественных технологий. В основе принципов управления лежат законы управления, основные законы кибернетики. Управление достигается с помощью программ (прежде всего генетических), определяющих алгоритм процесса, т.е. последовательность операций в пространстве и времени. Другим существенным свойством управления являются процессы регуляции и саморегуляции, обеспечивающие инициацию, завершение или поддержание определенной скорости биологического процесса.

Общность функциональных блоков в регуляторных и исполнительных системах различных структур одного и того же организма создает потенциальную возможность образования различных регуляторных путей я перестройку уже существующих в более или менее широких пределах. Это обстоятельство важно для понимания приспособительных и компенсаторных механизмов. Общность между организмами обеспечивает возможность регуляции на уровне популяции, экосистемы и биосферы.

Принцип сигнальности, возрастание сигнальности в ходе эволюции, принцип обратной связи и другие принципы управления имеют большое значение для технологических подходов к функционированию биологических систем.

Принцип компромисса. Адаптивность является важнейшим свойством биологических систем, но возможность адаптации ограничена многими факторами. Один из наиболее существенных — необходимость сочетания множества свойств, или мультиэссенциальность. С ограничением адаптивных процессов тесно связан и принцип компромисса, необходимость которого для мультиэссенциальных систем была показана выше. Принцип компромисса, заключающийся в невозможности одновременного поддержания всех функций и подсистем целостного организма на оптимальном уровне, позволяет лучше понять регуляцию отдельных органов и систем этого организма. Принцип оптимального компромисса чрезвычайно широк и дает возможность интерпретировать многие особенности деятельности живых систем. Он полезен также для понимания свойств популяции и экосистем, где каждый член осуществляет меньший объем работы и имеет меньшее значение, чем это могло бы иметь место при увеличении биологического пространства. Принцип компромисса объясняет неустойчивость, неспособность к длительному существованию искусственных систем, где он не соблюдается.

Рассмотрим принцип компромисса более подробно. Так, увеличение поверхности тонкой кишки, полезное как нутритивная адаптация, снижает надежность или во всяком случае повышает риск нарушения барьера кишечного эпителия. Поэтому реальная поверхность кишки отражает компромисс, обеспечивающий выполнение нутритивных функций, что достигается тенденцией к увеличению ее поверхности, и барьерной функции, что достигается уменьшением поверхности тонкой кишки. Интересно, что у холоднокровных животных, энергетические потребности которых примерно на порядок ниже, чем у теплокровных, кишечная поверхность примерно во столько же раз меньше. Следует подчеркнуть, что компромиссная реакция не является очень хорошим приспособлением к строго определенному фактору. Однако в условиях неопределенностй внешних воздействий такая реакция означает некоторую приспособляемость к различным факторам, с которыми может встретиться данная система.

Принцип компромисса отчетливо проявляется при взаимодействии нескольких систем. В большинстве случаев между ними возникает компромиссное взаимодействие, ограничивающее чрезмерное развитие каждой из них и создающее гомеостатированный механизм. К сожалению, механизмы биологических компромиссов не изучены. В некоторых случаях показано, что взаимодействие частей одной системы или компромиссное взаимодействие различных систем происходит с помощью химических мессенжеров.

***

В этой главе кратко охарактеризованы основные принципы, характеризующие жизнь с позиций естественных технологий. Одни из этих принципов хорошо известны, другие сформулированы впервые. Когда основные принципы естественных технологий были представлены мною в детальной сводке в 1985 г., некоторые коллеги справедливо обратили внимание на неполноту их списка. Другие замечания сводились к тому, что жизнь основывается на слишком большом числе принципов. Это обстоятельство позволяет предполагать существование некоторых других, еще более глубоких принципов. Замечание, что принципов слишком много, также справедливо. Однако следует отметить, что большое количество принципов отражает не столько недостаточность наших знаний, сколько сущность жизни. Вероятно, уникальность жизни как наиболее сложно организованного процесса зависит от того, что жизнь есть область, где взаимодействуют (как бы пересекаются в сверхпространстве) упомянутые и многие другие принципы.

Все попытки охарактеризовать жизнь на основе какого-либо одного принципа до сих пор оставались лишь попытками, не более. По-видимому, они сводились лишь к образному и яркому парадоксу. Именно в этом смысле следует рассматривать определение жизни как процесса гомеостатирования (устойчивого неравновесия).

Жизнь, как гласит один из принципов множественности, — «многосущностный» процесс. Из этого, возможно, наиболее глубокого принципа вытекают многие фундаментальные закономерности, из которых каждая — необходимый атрибут живого.

Глава 9.

ЕСТЕСТВЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ.

ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНЫЕ ЗАМЕЧАНИЯ

Мы завершили краткий и далеко не полный очерк естественных технологий, в котором сделана попытка охарактеризовать новые подходы к живым системам, их фактическую обоснованность, теоретическую плодотворность и практическую значимость.

Любая развивающаяся наука рассчитана на прогнозирование, которое тем больше, чем перспективнее область знаний. В этом отношении моделирование естественных технологий в условиях производства имеет захватывающие перспективы и будущность, базирующиеся на прочном научном фундаменте. Сам автор особенно остро ощущает такие возможности в области проблем, касающихся ассимиляторных процессов на всех уровнях организации жизни, а также в области связанных с этим глобальных практических проблем: экологии и управления экосистемами, пищевых ресурсов и оптимизации питания, охране окружающей среды в целом и организмов различных видов и т.д.

Вероятно, наибольшие достижения вытекают из объединения технологии и естествознания, что важно для научного прогресса. Более того, развитие представлений о естественных технологиях и применение технологических подходов к естествознанию имеют ряд других важных, часто неожиданных аспектов. Прежде всего речь идет о влиянии естественных технологий на многие науки. Из этих наук лишь некоторые, относящиеся главным образом к биологии, медицине, биосфере, были затронуты автором. Но, конечно, читатель не мог не почувствовать связь естественных технологий с различными областями многих других наук, в том числе физики, химии, математики и ряда аспектов философии. Речь идет также о формировании новых элементов в общей системе этических, эстетических и других взглядов. Я далек от мысли упрощать эти и другие фундаментальные категории и влияющие на них процессы. Однако нельзя не видеть существенных различий в этических и эстетических оценках явлений и закономерностей, наблюдаемых в мире, со стороны естествоиспытателей и тех, кто олицетворяет дух производственных технологий.

Несколько слов о классификации технологий и практической деятельности человека. В 1985 г. мною предложена следующая классификация взаимодействующих технологий: 1) производственные технологии, связанные с закономерностью процессов производства; 2) биотехнологии, в которых живые системы используются в качестве звеньев, реализующих производственные процессы; 3) естественные технологии, возникшие в ходе эволюции, которые являются характеристикой живых систем и отражают наиболее важные особенности их существования и эволюции; 4) синтетические технологии, или синтехнологии, в которых сочетаются производственные и естественные технологии. Следует подчеркнуть важность таких сочетаний, которые применяются, например, для получения продуктов питания человека и сельскохозяйственных животных. Синтетические технологии часто используются и в случаях взаимодействия человека с окружающей средой (например, применение инсектицидов, пестицидов, гербицидов и т.д.). Комплекс этих четырех типов технологий может быть объединен под названием «всеобщая технология».

Примером взаимодействия технологий может служить одна из наиболее острых проблем, стоящих перед человечеством конца XX в., — проблема пищи и питания. Действительно, питание при приготовлении, получении и консервации пищевых продуктов относится к категории производственных технологий. На одном из этапов эта проблема решается с помощью биотехнологий, а завершающий этап, т.е. ассимиляция пищевых продуктов, благодаря естественным технологиям. Оптимальное согласование элементов всего комплекса — одна из самых важных задач на трудном пути решения проблемы адекватного питания.

Выше приведены факты, позволяющие понять влияние законов естественных технологий на различные проявления практической деятельности человека. Почти не существует областей, где бы производственная активность человека в больших или меньших масштабах, прямо или косвенно не влияла бы на естественные технологии. В качестве примера можно привести загрязнение и отравление водных и наземных экосистем отходами производства. Следует учитывать также действие ряда антропогенных факторов, которые подчас проявляются через многие годы (например, отдаленные эффекты строительства гидростанций).

Вернемся вновь к близкому автору примеру — проблеме питания, имеющей жизненно важное значение для судеб всего человечества. Этот пример позволяет проиллюстрировать некоторые взаимоотношения производственных и естественных технологий. Питание в современном обществе определяется сложной синтетической технологией, в которой естественные и производственные технологии чередуются и комбинируются. В конечном итоге производство пищевых ресурсов направлено на обеспечение потребностей организма в пище. Эта пища должна наилучшим образом соответствовать естественным технологиям усвоения пищевых веществ человеком, выработавшимся в ходе эволюции. Следовательно, при всех обстоятельствах человек должен приводить производственные технологии в соответствие с естественными, меняя последние с крайней осторожностью, ибо последствия таких изменений часто невозможно предвидеть. Между тем они могут быть не только неблагоприятными, но и необратимыми.

Трудность совершенного приспособления производства к естественным технологиям в большинстве случаев связана с тем, что мы недостаточно их знаем. Это справедливо также в отношении процессов ассимиляции пищи. Существенный прогресс знаний о механизмах питания человека и других организмов в последние десятилетия позволяет перейти от теории сбалансированного питания к теории адекватного питания, которая в сущности опирается на идеи естественных технологий и их эволюции. Принципиально новым является оптимизация стыка двух технологий. Это относится к составу пищи, режиму и другим условиям питания. Например, даже оценка роли аминокислот в жизнедеятельности организма в последнее время резко изменилась, так как одни из аминокислот оказались предшественниками нейротрансмиттеров, а другие — самими нейротрансмиттерами. Таким образом, увеличение или уменьшение количества аминокислот в пище оказалось фактором, влияющим не только на синтез белковых структур нашего организма, но и на его информационную и эмоциональную деятельность.

В настоящее время ясно, что наше питание (т.е. состав пищевых, регуляторных и токсических веществ) в значительной степени зависит от бактериальной флоры. Трофические характеристики у одного и того же человека на протяжении жизни могут резко меняться, так как состав микрофлоры подвержен существенным изменениям под влиянием композиции пищи и лекарственных препаратов. Иногда бактериальная флора претерпевает значительные изменения, особенно после необдуманного применения антибиотиков. Различия в бактериальной флоре служат одной из важных причин изменений технологии ассимиляции пищи у одного человека и резкой индивидуальной вариабельности. Поэтому синтехнология питания должна быть адекватной как индивидуальным особенностям естественных технологий, так и их изменениям на протяжении жизни данного человека. Разумеется, при конструировании адекватной пищи необходима большая осторожность.

Представление о естественных технологиях, как неоднократно упоминалось выше, тесно связано с проблемами медицины и экологии. Мы воспринимаем медицину как науку, ремесло и искусство, направленные на сохранение и восстановление здоровья. Для медицины все, относящееся к понятию здоровья и к развитию новых подходов в управлении жизненными процессами организма, является крайне интересным. В этом смысле естественные технологии имеют первостепенное значение. Так, элементарные функции, или операции, осуществляемые функциональными блоками, служат элементами технологий. Их универсальность создает основу для особой группы патологических процессов, названных синдромом общих блоков. Последние в отличие от органных синдромов могут затрагивать различные физиологические функции разных органов, но обусловлены нарушениями одних и тех же функциональных блоков. Примером таких заболеваний служит неспособность к всасыванию определенных аминокислот, что внешне проявляется в поражениях кожи, умственной отсталости и т.д. (см. гл. 7). Повреждающие агенты могут вызывать разнообразные заболевания, связанные главным образом или частично с нарушениями на уровне элементарных функций и функциональных блоков. Появляется и новая область диагностики, которая важна для разработки лечения и понимания некоторых сторон заболевания как нарушения определенной технологии.

Особенно много нового концепции функциональных блоков и естественных технологий вносят в представления о специфичности и направленности химиотерапевтических воздействий и, в частности, в терапевтическую возможность построения «волшебной пули». Мечта о чистой химической терапии без побочных эффектов в концепции естественных технологий не находит строгой научной базы. Существование универсальных функциональных блоков делает идею «волшебной пули» весьма трудной для исполнения. Действительно, лекарственные вещества, хотя и с разной вероятностью, поражают все свои мишени, как желательные, так и нежелательные. В связи с тем, что одни и те же функциональные блоки распределены в различных клетках и органах неравномерно, в большинстве случаев желательные эффекты выражены во много раз сильнее, чем нежелательные.

Было бы, однако, неправильно сводить взаимоотношения медицины и естественных технологий лишь к концепции функциональных блоков. В той мере, в какой здоровье определяется как нормальное протекание естественных технологий, а болезнь — как их нарушение, врач должен быть технологом в широком смысле этого слова, т.е. специалистом, способным понять как сущность происходящих изменений, так и последствия лечебного воздействия.

Мы неоднократно отмечали, что сам человек является частью той чрезвычайно сложной естественной технологии, которая может быть обозначена как жизнь на планетарном уровне. Технологические подходы к этой проблеме кажутся особенно важными, так как затрагивают все виды взаимоотношений человека и биосферы. В настоящее время все громче звучат голоса, предостерегающие, что мы приближаемся или уже вплотную подошли к серьезному экологическому кризису. Возникла ситуация, при которой окружающая нас природа может претерпеть нежелательные и даже необратимые изменения в результате неразумных, чаще всего стихийных повреждающих воздействий со стороны человека. Более того, термин «кризис» в меньшей мере отражает характер тех изменений, которые могут нас ждать. В этом случае более уместно понятие экологической катастрофы, так как мы вмешиваемся в великую планетарную технологию без достаточных знаний и без отчетливого понимания ее особенностей.

Существуют многочисленные примеры неблагоприятных последствий, являющихся результатом экологических взаимодействий. Например, американскими экологами (Силбриг О., Силбриг Д. Популяционная биология и эволюция. М.: Мир, 1982) отмечено, что при широком использовании в США пестицидов одним из неожиданных и тяжелых последствий явилось образование устойчивости к ним более чем 200 видов насекомых, наносящих вред здоровью и хозяйственной деятельности человека. Точно так же при использовании гербицидов и дефолиантов возникает высокая устойчивость к ним у сорняков. Можно привести и другие примеры, однако и этих достаточно для заключения, что в век бурного прогресса деятельности человека понимание естественных технологий и поиски компромиссов при создании различных технологий чрезвычайно важны. Непонимание технологичности природы и логики эволюции может быть основой для локальных и парциальных катастроф, которые усугубляют существующую серьезную экологическую ситуацию и таят опасность большой экологической катастрофы. Такая опасность будет сохраняться и прогрессировать до тех пор, пока будет сохраняться и прогрессировать антропоцентрический утилитаризм. Иногда он кажется привлекательным, например в прекрасном определении одного из наиболее глубоких мыслителей нашего века Ч. П. Сноу. Он подчеркивает, что гуманизм — это концепция, возникшая в эпоху зрелого Возрождения и ставящая человека в центр мироздания (Сноу Ч. П. Заметки о гуманизме//Портреты и размышления: Художественная публицистика. М.: Прогресс, 1985. С. 290—294). Сегодня понятно не только сколь прекрасен, но и сколь опасен такой подход.

Заканчивая эти размышления, следует подчеркнуть, что антропоцентризм не способствует превращению биосферы в ноосферу, а напротив, затрудняет такую возможность. Для формирования ноосферы (помимо многих других условий) требуется: 1) совершенное знание естественных технологий на всех уровнях их организации; 2) сохранение и совершенствование этих технологий. Биосфера в нынешнем виде, нарушенная техникой, скорее может быть названа технобиосферой или больной биосферой — патобиосферой. Другими словами, сегодня задача формирования ноосферы в некоторых отношениях является проблемой не менее трудной, чем во времена В. И. Вернадского.

Следует иметь в виду, что глубокий анализ фундаментальных проблем биосферы на пути ее превращения в ноосферу — дело будущего. Эти проблемы сложны и противоречивы, о чем свидетельствуют современные попытки представить структуру ноосферы Земли в виде очень упрощенных схем.

К сожалению, в данной книге нет возможности сколько-нибудь подробно рассмотреть эволюцию живых организмов от их возникновения до современных форм, так же как структуру и эволюцию биосферы в целом. Общая схема развития органического мира представлена на рис. 46.

При характеристике эволюции подчеркивалось, что функция, структура и эффект взаимодействуют и всегда существуют как триада. Ее понимание на разных уровнях организации жизненных процессов особенно существенно для рассмотрения жизни и естественных процессов вообще и в эволюционном аспекте особенно. Следует отметить, что взаимоотношения членов триады относятся к проблемам современного функционализма.

В науке часто применяются вспомогательные (часто временные) понятия и термины. К их числу относится термин «современный функционализм». Под функционализмом подразумевается вся совокупность сведений о функциональных свойствах живых систем, функциональных подходах к этим системам и, наконец, взаимоотношения различных фундаментальных характеристик. Функционализм является одной из наиболее важных проблем не только физиологии, но и всех областей биологии, начиная с таких традиционных, кап зоология и ботаника, и кончая такими, как молекулярная биология, биоорганическая химия, биофизика и медицина. Современный функционализм не является только частью классического функционализма, связанного с расцветом физиологии. Следует надеяться, что подобно тому как в свое время функционализм XVII— XIX вв. внес неоценимый вклад в развитие науки о живом, так и современный функционализм станет одним из краеугольных камней всего комплекса биологических наук сегодняшнего и завтрашнего дней. Это существенно для наук, в которых рассматривается происхождение и развитие жизни, а также жизнь в ее различных проявлениях. С этой точки зрения понятны обоснованность, а также плодотворность современного функционализма, возрожденного в результате новой революции в биологии.

Особенность современного функционализма заключается в более глубоком понимании жизни как системы, где организация структур и функций взаимообусловлены. Вместе с тем жизнь — понятие динамическое, в связи с чем функциональные подходы к пониманию ее сущности особенно важны. Я хотел бы подчеркнуть, что современный функционализм технологичен в том смысле, что он рассматривает жизнь на всех уровнях как сложно организованный процесс, имеющий ряд особенностей. К числу таковых относятся полезные эффекты, сформировавшиеся в ходе эволюции, побочные эффекты, служащие материалом дальнейших эволюционных трансформаций, и т.д.

Начиная с Фрэнсиса Бэкона, сравнение отдельных органов с машинами получило широкое распространение. Различные типы машин, в особенности механических, стали привычными моделями для анализа структуры и функции различных органов живых существ. По мере развития химии для этой цели стали привлекаться химические устройства и процессы. Во многих случаях это было грубым упрощением биологического процесса, иногда облегчавшим, а иногда и затруднявшим его понимание. Однако анализ даже простых механических моделей позволял нарисовать картину, близкую к истинной. В качестве примера можно привести представление о движении крови в той форме, в какой оно было представлено В. Гарвеем.

Рис. 46. Схема развития органического мира. (По: Соколов В. с. Биосфера: понятие, структура, эволюция // В. В. Вернадский и современность. М., Наука, 1984. с. 98—122).

Эра экспериментальной биологии и медицины была одновременно и эрой естествознания, где естественные объекты интерпретировались в виде сложноустроенных машин. Нельзя исключить, что на смену таким представлениям сейчас приходит более глубокое понимание биологических процессов, где на первое место выйдут технологические идеи.

Следует еще раз сказать несколько слов о физиологической эволюции. По-видимому, в эволюционной физиологии существуют тесно связанные и не противоречащие друг другу направления, которые могут быть обозначены так функциональная эволюция и физиологическая эволюция. Функциональная эволюция связана с исследованием законов эволюции функций, Физиологическая эволюция изучает общие закономерности эволюционного процесса. Понятие физиологической эволюции включает в себя следующие положения.

1.    Однотипность процессов — отражение одного из фундаментальных принципов жизни как планетарного явления. Такой подход соответствует взглядам В. И. Вернадского о биосфере. Единство жизни на уровне биосферы обусловлено биотическими круговоротами, основанными на трофических связях, т.е. на функциональных взаимодействиях определенного типа. Такое единство возможно лишь при универсальности по крайней мере на двух уровнях: на уровне строительных блоков — мономеров (биохимический уровень) и на уровне функциональных блоков (физиологический уровень). Таким образом, первая и важнейшая закономерность, которую постулирует физиология, вступая в противоречие с другими науками, — это представление о жизни как планетарном процессе. Такой подход объясняет также и асимметрию жизни. Это не отрицает идеи, получившей широкое признание в нашей стране и за рубежом и заключающейся в том, что асимметрия жизни могла возникнуть в добиологический период в результате вероятностной флуктуации. Однако физиологическая эволюция свидетельствует, что такая асимметрия поддерживается вследствие гомеостатирования биотического круговорота.

2.    Стабилизация касается функционально значимых элементов, участвующих в выполнении элементарных функций, и не затрагивает других структур, где проявляются закономерности, чаще всего фигурирующие под названием нейтральной эволюции.

3. Все разнообразие функций и структур базируется на некотором количестве универсальных функциональных блоков, т.е. структур, реализующих элементарные функции. Эти структуры образуют специализированные системы, отличающиеся разнообразием за счет их сложного комбинирования. Следовательно, эволюция идет преимущественно по пути комбинирования универсальных функциональных блоков. При этом мутирующие гены относятся преимущественно не к структурным, а к регуляторным генам. Таким образом, в ходе эволюции увеличивается роль мутаций в регуляторных генах, причем у эукариотов этот тип мутаций является основным. Такая мысль одновременно и независимо была высказана и другими исследователями.

Стабильность некоторых свойств определенных систем в течение длительных интервалов эволюции и вместе с тем использование одних и тех же функциональных блоков можно проиллюстрировать двумя примерами. Первый пример был приведен мною выше и касается стабильности амилаз животных различных видов, а также амилаз, выделенных из различных органов одного и того же организма. Я не смог обнаружить признаков эволюции и совершенствования этих молекулярных машин в ходе эволюции. В последние годы такое заключение получило подтверждение. При изучении первичной структуры генов амилазы и самой амилазы бактерий, дрожжей, а также амилазы слюнных и поджелудочной желез млекопитающих оказалось, что принципиальных изменений в первичной структуре фермента не произошло. Более того, все те части, которые связаны с ферментативным катализом, остались неизменными. Замещение аминокислот происходило в так называемых индифферентных частях молекулы.

Второй пример относится к собственно кишечным мембранным ферментам. В нашей лаборатории было показано, что во многих случаях меняется не каталитический домен, а регуляторная субъединица фермента. Иными словами, каталитическая субъединица отличается большой стабильностью.

Таким образом, физиология и физиологическая эволюция способны объяснить ряд общих закономерностей эволюции, которые до сих пор не были ясны и не могли получить интерпретации.

Технологические подходы к происхождению и эволюции жизни не ограничиваются познавательной стороной. Если жизнь — это особая естественная технология, то при ее конструировании и воспроизведении следует учитывать основные законы естественных технологий и их эволюцию. Изготовление отдельных молекул (машин, строительных и функциональных блоков) не является созданием живого, хотя и может быть шагом вперед на пути к достижению этой цели. Создание новых форм жизни, по-видимому, будет осуществляться ради следующих главных целей: 1) для решения производственных задач (реализация различных биотехнологических и биотехнических процессов);

2) для познания законов жизни; 3) для усовершенствования жизни и ее распространения. Первые задачи вполне понятны и вытекают из практики и традиций современной науки и морали. Что касается последней задачи, т.е. создания новых, более совершенных форм жизни, то, по-видимому, эта потребность сформируется в полной мере в будущем. Речь идет о высших духовных побуждениях в распространении достижений человечества во Вселенной. Можно надеяться, что прогресс, открывший фантастические возможности для разрушения, в конце концов сделает реальностью современные созидательные потребности человечества.

Искусство реконструирует жизнь и воздействует на нее, используя естественнонаучные и технологические подходы и соответственно получаемую информацию. Достаточно сослаться на многочисленные указания крупнейших художников, представлявших различные школы, виды и направления искусств, на то, что их интересует анатомия, физиология или сущность живого. С другой стороны, весьма многочисленна группа людей искусства, которая (по их выражению) «конструирует» новые, ранее не существовавшие способы выражения самого себя и своих представлений или же ищет новые приемы воздействия на чувства и мысли слушателя, зрителя и читателя. Возможно, проблема естественных технологий в искусстве найдет прямой или косвенный резонанс. Во всяком случае это поможет лучше понять, что нередко новое — это новый набор уже известных блоков. В то же время принципиально новое, сконструированное из чуждых блоков, может не взаимодействовать с данной системой, так как гармония возможна лишь на основе единства и универсальности, поражающих своей всеохватывающей простотой.

Эти суждения, конечно, весьма односторонни. Тем не менее я все же позволю себе остановиться на них прежде всего потому, что этика и эстетика, формирующиеся по очень сложным законам, существенно зависят от характера деятельности, профессиональной направленности и особенностей личности. Известно, что этические оценки естествоиспытателей и технологов всегда существенно различались. Можно было бы подробно мотивировать эти высказывания и даже документировать их соответствующими примерами. Но на меня наибольшее впечатление в оценках техников и технологов всегда производила убежденность, что сделанное человеческим разумом в этическом отношении оправдано, если получило положительную оценку нескольких человек, а тем более сообществ или учреждений. В действительности, как показывает опыт, это не так. Овладение естественными технологиями и их использование в создании производственных, или искусственных, технологий может быть направлено и на благо, и во зло человечеству. Такими примерами могут служить генная инженерия, создание бактериологических препаратов и т.д. Отсюда крайне существенна изначальная этическая позиция человека (ученого или технолога) и его четкое понимание возможностей различного по своей социально-этической направленности использования достижений биологических наук в целом.

Для того чтобы в обществе сформировалось ясное понимание этической и эстетической необоснованности вмешательства человека в природу, не требуется исчерпывающего представления о естественных технологиях. Концепция естественных технологий прежде всего важна для понимания причин, механизмов и масштабов такой опасности. Она помогает в полной мере осознать, насколько трудно принимать действительно оптимальное технологическое решение или находить производственную технологию, не влияющую негативно на окружающую нас жизнь; последняя является еще более сложно организованной системой и поэтому еще более ценной технологией, чем создаваемая человеком. Человек должен осознавать себя как часть иерархии технологий в биосфере, где взаимодействуют естественные и искусственные технологии и где перед ним стоит задача — регуляция всей совокупности технологий в биосфере. Понимание этого не может не отразиться на самых глубоких этических и эстетических критериях, которыми руководствуется современный человек.

***

Итак, охарактеризованы многие фундаментальные закономерности биологических систем и соображения, позволяющие рассматривать их как своеобразные естественные технологии, возникшие и сформировавшиеся в ходе длительной эволюции. Возможность описать сложно организованные процессы в пределах одной науки на основе некоторых общих законов открывает для нас новые перспективы.

Попытаемся подвести некоторые итоги краткому очерку естественных технологий живого. Как наука естественная технология имеет свой предмет: закономерности организации и деятельности, эволюции и преобразований живых систем. Будучи наукой функциональной, естественная технология изучает процессы, способы, средства и результаты. Под способами подразумеваются программа и управление процессами; под средствами — структура и энергия, необходимые для их реализации; под результатами — некоторые эффекты, возникающие в ходе процесса.

Самое важное следствие, вытекающее из представлений о естественных технологиях, заключается в сближении и объединении полярных областей науки — естествознания и технологии. Такая интеграция стала возможной лишь тогда, когда была выявлена общность закономерностей в живых системах и в системах, созданных человеческим разумом. По всей вероятности, еще в первой половине XX в., а тем более в XIX в. технологический подход в естествознании был невозможен, вернее, не мог выйти за пределы иллюстраций. Для естествоиспытателей того времени искать сходство в организации примитивных технологических процессов с совершенными, но непонятными естественными процессами было необоснованно и неплодотворно. Сверх того, старое естествознание отвергало идею целесообразности строения в деятельности живых систем как чуждую науке, изучающей законы природы.

Следует иметь в виду, что технология, еще будучи зачаточной наукой, видела в целесообразности тот ориентир, который превращал набор технических приемов в технологический процесс. Потребовалось много революционных событий в естествознании и технологии, чтобы сблизить эти науки. Наконец, естествознание включило целесообразность как результат эволюции и свойств живых систем на всех уровнях их организации. С другой стороны, производственные технологии в своем моделировании конкретных объектов и явлений живой природы или общих ее закономерностей стали обретать элементы науки о предмете, а не только о способах приложения достижений других наук ради выгоды, как писал на рубеже XIX и XX вв. Д. И. Менделеев.

Следует подчеркнуть, что представление о естественных технологиях — это не рассмотрение жизни как сложного производства необходимых для нее деталей. Это представление заключается в попытке обратить внимание на плодотворность изучения общих законов сложно организованных процессов в естественных и искусственных системах, а также в использовании этих законов для управления такими процессами, что имеет огромное теоретическое и прикладное значение.

Проблема естественных технологий кажется захватывающе интересной. По всей вероятности, теперь в области науки возможен тот подход к явлениям природы и системам, созданным руками человека, который до сих пор был доступен лишь концепциям, основанным на вере. Действительно, мир в глазах креациониста — результат технологии, созданной творцом. Производственные же технологии в рамках такой логики относятся к технологиям второго, менее совершенного уровня.

Идея естественных технологий заключается в том, что закономерности и процессы функционирования, а также эволюции живого являются технологиями, созданными природой. Конечно, сегодня многое остается непонятным, так как здание концепции естественных технологий далеко до завершения. Однако следует иметь в виду, что понимание сущности явлений — это «многоярусная структура». Необходимо учитывать, что в такой многоярусной башне, окутанной туманом незнания, видны лишь самые первые этажи. В этой связи крайне важной кажется мысль, объединяющая величайших физиков нашего времени, что современная наука базируется на двух идеалах — внутреннем совершенстве и внешней обоснованности. Идея всеобщей технологии тесно связана с этими идеалами. В самом деле, в таком подходе есть уникальность, последовательность и стройность, он объединяет живое и неживое, он эволюционен и активен, т.е., основываясь на прошлом, он устремлен в будущее. Кроме того, в рамках всеобщей технологии представляется возможным найти новые аргументы для объединения ряда проблем науки и этики.

ВМЕСТО ПОСЛЕСЛОВИЯ

(ответы на возникающие вопросы)

Когда рукопись этой книги была готова к опубликованию, ее прочитали мои коллеги, работающие в различных областях науки и техники. Трудно переоценить ту пользу, которую принесло обсуждение затронутых проблем с первыми читателями. Должен отметить, что ряд замечаний нашел отражение на страницах книги. В то же время некоторые вопросы было трудно осветить при современном состоянии науки, а на другие нельзя ответить, не нарушая логику книги.

Все это потребовало применить непривычный в научной книге прием и последний раздел посвятить вопросам и ответам.

Вопросы могут быть сведены в несколько групп:

1)    вопросы, возникшие в результате пропусков в книге;

2)    вопросы, появившиеся вследствие недостаточного освещения отдельных сторон затронутых проблем;

3)    дискуссионные вопросы. Все они важны, но особое значение имеют вопросы, содержащие в явной или скрытой форме элемент критики развиваемых в книге взглядов.

Однако все эти вопросы сгруппированы не по таким признакам, а по следующим проблемам: 1) естественные технологии и технологические подходы; 2) эволюционные и экологические аспекты естественных технологий; 3) универсальные функциональные блоки; 4) естественные технологии и трофология; 5) технологические предсказания. Некоторые вопросы, касающиеся одновременно нескольких указанных проблем, освещены при рассмотрении лишь одной из них.

Естественные технологии и технологические подходы

Вопрос. Не являются ли технологические подходы удобным способом описания природных явлений, и не более того?

Ответ. В этой книге, как и в монографии, опубликованной в 1985 г., неоднократно подчеркивалось следующее. Если исходить из традиционного определения технологии как способов производства и навыков ремесла, то описание принципов работы естественных биологических систем может быть либо образной интерпретацией, либо, с точки зрения креационизма, анализом созданных творцом технологий. С позиций всеобщей технологии, определяемой как наука о сложноорганизованных процессах, технологические подходы к естественным явлением вполне правомочны и закономерны. Такие подходы применимы как к анализу деятельности человека (искусственные технологии), так и к анализу законов живой природы (естественные технологии). Важно, что технологические подходы позволяют выявить некоторые наиболее общие закономерности (например, принцип эффективности) или различия, которые все еще существуют между несовершенными творениями рук человеческих и продуктом эволюционного процесса, продолжающегося уже более 4 млрд. лет. В сущности, в трудах наших крупнейших естествоиспытателей — И. М. Сеченова, И. П. Павлова, В. И. Вернадского, Н. А. Бернштейна неоднократно подчеркивалось, что при изучении живых систем необходим анализ физиологических процессов с точки зрения их эффективности.

Таким образом, технологическое описание отражает сущность организованных процессов, а не является только дидактическим приемом.

Вопрос. Удачен ли термин «естественная технология»? Не лучше ли науку об организованных биологических процессах назвать как-то иначе, оставив за технологией ее прежнее, более узкое и утилитарное название?

Ответ. Действительно, ранее предполагалось использовать некоторые другие термины. К ним относятся, например, такие, как «процессология», т.е. наука о структуре процессов и законах их организации; «инженерная биология», т.е. наука, которая оценивает биологические явления с инженерных позиций; «эргология», т.е. наука о закономерностях и законах реализации работы или определенным образом организованной деятельности различных систем и т.д. Однако термин «естественная технология» и особенно представления о взаимодействии естественных и производственных технологий чрезвычайно удачны и плодотворны. Несоответствие искусственных и естественных технологий — одна из самых фундаментальных проблем и один из наиболее трагических аспектов современной истории человечества. Если же в рамках одной науки объединить проблемы, обозначенные как естественные технологии, с одной стороны, и искусственные (производственные) технологии — с другой, то это даст возможность более точно оценивать и глубину противоречий между природой и человеком, и пути выхода из экологического кризиса. Необходимо также заметить, что естественная технология как наука об организованных биологических процессах открывает новые горизонты не только для понимания закономерностей жизни и естественных процессов, но и для развития активности человека, которая должна все более приобретать характер синтетической технологии.

В заключение следует сказать, что основное различие между классической технологией и естественной технологией как наукой заключается в следующем: первая разрешает вое, что возможно, что не противоречит законам физики и химии, тогда как вторая добавляет ряд «естественных» законов, которые вводят новые запреты и ограничения, тем самым указывая на границы возможного.

Вопрос. Не являются ли технологические подходы опасным путем, который может привести к абсурдным построениям, например к технологии движения электронов или к технологии поведения?

Ответ. В сущности, этот вопрос состоит из двух частей: 1) есть ли границы технологических подходов? 2) являются ли технологиями поведенческие процессы и движение электронов?

Итак, ответ на первую часть вопроса. Технологией охватываются все организованные процессы. Несмотря на отсутствие исчерпывающей характеристики организованности, ее некоторые признаки могут быть даны уже сейчас. Организованные процессы определяются некоторым алгоритмом составляющих их операций, что обеспечивает определенный конечный эффект. Как правило, организованные процессы требуют затраты энергии, определенной программы и саморегуляции. Наконец, они характеризуются распределением в пространстве и времени структурных элементов и функциональных эффектов. С этой точки зрения ясно, что явления, свойственные живым компонентам биосферы (от клетки до планеты в целом), могут рассматриваться как естественные технологии. Однако во многих процессах, протекающих в неживой природе, отсутствует одна или несколько необходимых характеристик естественной технологии. Следовательно, они лишь на первый взгляд напоминают такую технологию.

Ответ на вторую часть вопроса. Учитывая вышеизложенное, описание движения электрона с точки зрения технологии не оправдано. Что касается поведения, то такой процесс вполне может быть рассмотрен как определенная технология. В качестве примера можно привести охоту хищника за жертвой (например, мангусты за змеей). По-видимому, анализ более сложных форм поведения животных и особенно человека с позиций технологии дает ряд преимуществ и вполне оправдан. Вероятно, нельзя считать невозможным возникновение технологических концепций в различных областях физиологии и психологии человека. В западной литературе яркие попытки технологического анализа поведения человека можно найти, например, у В. Шекспира и особенно у О. де Бальзака, а у нас в первую очередь у А. С. Пушкина, Ф. М. Достоевского и JI. Н. Толстого.

Конечно, все свести к технологии не только невозможно, но и не нужно. Однако следует подумать, не существует ли с этических позиций оптимальная технология взаимоотношений людей.

Вопрос. Не вполне ясно, каково соотношение естественной технологии как науки с кибернетикой, бионикой и рядом других областей знаний, например с инженерией в широком смысле, а также с разработкой стратегии и тактики?

Ответ. Эти и другие науки включаются, а точнее, используются естественной технологией как наукой об организованных биологических процессах. Даже сравнительно простые организованные процессы могут быть охарактеризованы с информационных позиций. Действительно, они являются в сущности информационными процессами, так как информация и управление — обязательные элементы организованного процесса. Но естественные и искусственно организованные процессы осуществляются с помощью некоторых систем, или устройств, которые имеют энергетические и структурные характеристики и обладают физическими, механическими, химическими и другими свойствами. Можно также описать взаимодействие (но не совпадение) естественной технологии с теорией игр, стратегией и тактикой. Последние являются, фигурально выражаясь, теоретическими тенями технологий, в частности естественных.

Интересно сопоставить военные аспекты стратегии и тактики с технологией, так как технология войны также существует. Анализ такой технологии удивительно интересно и глубоко приведен, например, Л. Н. Толстым в романе «Война и мир».

Вопрос. Как соотносятся технологические подходы с теоретической биологией и теоретической физиологией?

Ответ. Представляется, что технологические подходы — необходимый элемент теоретической биологии и физиологии. Жизнь, как неоднократно отмечалось, необычайно сложный организованный процесс, а технология в новой интерпретации является наукой о сложных процессах. Ясно, что трудно представить себе теоретическую биологию и физиологию без учета блоковой организации биологических систем и основополагающих принципов естественных технологий (принципы эффективности, управления, множественности, сохранения, компромисса и т.д.).

Вопрос. Как объяснить, что в книге нередко смешиваются научные и этические аспекты естественных технологий?

Ответ. Вероятно, это справедливое замечание. В то же время можно сказать, что при рассмотрении технологических аспектов жизни, природы и общества трудно разделить этические и научные аспекты, тем более что нравственная сторона науки возникает как ее высшее достижение и в свою очередь влияет на нее. Важно, что технологические подходы придают новое звучание многим фундаментальным этическим концепциям.

Вопрос. Каково Ваше отношение к научному эссе Станислава Лема «Сумма технологии»?

Ответ. Станислав Лем — один из великих научных фантастов, а также «научно-художественных» мыслителей нашего времени. Восхищение им и многими его творениями понятно. В частности, работы Лема позволяют понять глубочайшие различия между развиваемой концепцией естественных технологий и всеобщей технологии, с одной стороны, и традиционной великой производственной технологией — с другой. Последняя в самых ярких красках и подчас парадоксальных ракурсах описывается в «Сумме технологии».

Многое из того, что является высшим достижением или высшей целью производственной технологии, ограничивается или запрещается основными правилами естественной технологии. Ярким примером этому служит идея живого океана, мыслящего, действующего и эволюирующего как единое целое (С. Лем. «Солярис»). С точки зрения естественной технологии и принципа блочности формирование подобной системы невозможно, а эволюция немыслима. Прогрессивная эволюция — это эволюция, связанная со специализацией на разных уровнях организации (от клеточного до биосферного) . Поэтому даже если бы исходные живые системы были бы гомогенны, то их развитие привело бы к формированию взаимодействующих, но специализированных структур.

Вопрос. Не является ли упрощением технологический подход к вопросам сущности жизни и эволюции, к вопросам экологии и взаимоотношениям человека и природы, к анализу свойств человека и к воздействиям (например, врачебным) на него?

Ответ. Ответ на этот сложный вопрос можно условно разделить на две части.

1. К сожалению, следует признать, что любое научное описание явлений природы и ее законов — это лишь наша интерпретация. Действительно, современные теории происхождения жизни и эволюции живого в сущности являются упрощением реального процесса возникновения жизни и его дальнейшей эволюции. По-видимому, то же самое можно сказать и о теории элементарных частиц. Вместе с тем даже вульгарная интерпретация явлений природы дает возможность хотя бы приблизиться к пониманию, если так можно выразиться, их контуров. Самое удивительное, что примитивные научные заключения, к сожалению, позволяют реализовать эффективные практические действия. Как правило, они разумны по первичным итогам, но таят опасность в своих более отдаленных последствиях. Первое свидетельствует, что контуры в какой-то мере соответствуют действительности, второе — что на самом деле главное мы по-прежнему еще не постигли.

В целом концепция естественных технологий, как и любая научная концепция, не свободна от упрощения.

2. Представления о естественных технологиях и об общих законах естественных и производственных технологий позволяют преодолеть пропасть между производственной деятельностью человека и влиянием антропогенных факторов на природу. Когда природа рассматривается с точки зрения естественных технологий в глобальных масштабах, то она сама становится более понятной и, следовательно, более близкой нам. Можно полагать, что такой всеобщий технологический подход не только теоретически обоснован, но и практически плодотворен, а также высоко морален. Он лишает людей многих иллюзий и тем самым напоминает об истинных следствиях человеческой деятельности на нашей планете в рамках плохо согласованных естественных и производственных технологий. Это касается, например, увеличения концентрации углекислого газа в атмосфере и изменения циркуляции кислорода вследствие порубок лесов, влияния химического регулирования живых систем с помощью «специализированных» токсикантов (гербицидов, инсектицидов, пестицидов, дефолиантов и т.д.), включения промышленных отходов в биологические мегасистемы и т.д.

Следует иметь в виду важность технологических подходов для охраны здоровья человечества (например, для разработки оптимальной композиции пищи, методов ее консервации, приемов управления эндокринологией человека и т.д.). Важно, что многие виды человеческой деятельности, кажущиеся сегодня второстепенными, с точки зрения естественной технологии как науки превращаются в проблемы глобального масштаба. К их числу относится, в частности, использование антибиотиков для лечения инфекционных заболеваний человека и животных.

Эволюционные и экологические аспекты естественных технологий

Вопрос. Как соотносятся синтетическая теория эволюции, теория нейтральности и теория физиологической эволюции?

Ответ. Соотношение синтетической теории эволюции и теории нейтральности охарактеризовал М. Кимура в своей, ставшей классической, работе «Молекулярная эволюция : теория нейтральности» (М.: Мир, 1985. 398 с.). Для этих теорий свойственно углубленное рассмотрение генетических аспектов жизни и диалектическое отношение к эволюционным закономерностям фенотипа. Следует напомнить, что физиологическая эволюция — важная грань целостного эволюционного процесса, причем прогресс общей эволюционной теории невозможен без разработки не только генетических, но и физиологических аспектов. Необходимо иметь в виду следующие обстоятельства.

1.    В фенотипе реально существуют не только структура и функция, но и их эффекты. Последние определяют многие особенности эволюции, в частности прогрессивную структурно-функциональную эволюцию, включающую в себя специализацию и дифференциацию. Под контролем отбора находятся как полезные, так и побочные эффекты. При изменении условий существования организма побочные эффекты могут становиться полезными или вредными. Кроме того, каждая структура и функция имеет метаболическую стоимость, которая может рассматриваться как негативный эффект. Только благодаря действию отбора на все типы эффектов и достигается изменение структур и функций, которые модифицируются в результате изменений наследственной информации. Последняя контролирует структуры и функции, в том числе регулирующие (но не эффекты).

2.    Принцип эффективности характеризует не только важные механизмы эволюционного процесса в целом, но и запрещает полное совершенство, объясняет атрофию ненужных структур и многие другие особенности эволюционного процесса.

3. Принцип блочности — другой крайне существенный принцип организации биологических систем — намечает как основные пути эволюции, так и возможные ограничения. Эти ограничения в информационных теориях эволюции отсутствуют. Следует заметить, что пути эволюции определяются свойствами как информационных, так и работающих систем. Однако благодаря блестящим успехам генетики до сих пор основное внимание уделялось лишь первым из них.

Вопрос. Как объяснить, что в ряде случаев теория нейтральности в молекулярной эволюции, развитая М. Кимурой и вслед за ним многими другими, находится в противоречии с представлением об эволюции на основе универсальных функциональных блоков?

Ответ. Действительно, мысль, что эти две теории противоречат или даже исключают одна другую, высказывалась неоднократно. На первый взгляд представления о стабильности, консервативности универсальных функциональных блоков в ходе эволюции противоречит теории нейтральности и сходным теориям, которые постулируют неизбежность дивергенции молекулярных структур в результате обязательных точечных мутаций. Однако при глубоком рассмотрении нетрудно видеть, что противоречия не существует и стабильность функциональных блоков, т.е. структур, непосредственно участвующих в выполнении определенных функций, является следствием стабилизирующего действия отбора. Механизмы этой стабилизации были охарактеризованы нами ранее с различных точек зрения. Концепция универсальных функциональных блоков объясняет не только многие удивительные свойства живых систем, но и позволяет предсказать ряд явлений, что невозможно сделать с позиций других теорий.

Вопрос. Каково соотношение концепций физиологической эволюции, функциональной эволюции и эволюции функций?

Ответ. Концепция физиологической эволюции шире представлений об эволюции функций или функциональной эволюции. Представления о последней могут рассматриваться как обобщенная теория эволюции функций,

Физиологическая эволюция включает в себя весь комплекс проблем, охватывающих эволюцию функций, структур и их положительных и отрицательных эффектов, а также генетических систем, контролирующих формирование структур и осуществляемые ими процессы. Концепция физиологической эволюции опирается на идеи, заложенные в теориях эволюции функций и структур, и развивает их на современном уровне знаний.

Вопрос. При рассмотрении эволюции говорится об эволюции естественных технологий. Можно ли говорить также о технологии эволюции?

Ответ. Прежде всего следует сказать, что справедливо и то и другое. Сначала о технологии эволюции. Это важный способ характеристики эволюционного процесса, так как он происходит на основе принципа эффективности. Об этом неоднократно упоминалось в данной книге, а также в монографии, опубликованной в 1985 г. Принцип эффективности определяет многие существенные особенности эволюционного процесса, в частности специализацию структур и функций, невозможность формирования предельно совершенных систем и т.д. Для понимания технологии эволюции важны также многие другие принципы естественных технологий, в том числе принципы блочности, множественности, мультиэссенциальности, компромисса, мультифункциональности и мультипотентности и т.д.

Несколько слов об эволюции естественных технологий. Для понимания общих законов эволюции существенно, что живые системы на всех уровнях организации (от субклеточного до планетарного) могут рассматриваться как некоторые естественные технологические системы. Поэтому те пути, которые приводят к потере технологических достоинств, к нарушению или разрушению технологий, запрещаются.

Вопрос. Создается впечатление, что суждения о естественных технологиях в связи с экологической деятельностью человечества содержат упрек гуманизму. Так ли это?

Ответ. Первоначальное истолкование гуманизма, в котором человек и интересы человечества ставятся выше интересов природы в целом, противопоставляются природе или удовлетворяются в ущерб ей, по-видимому, исчерпало себя. Скорее его можно рассматривать как этап гуманистического мышления в наиболее высоком смысле этого слова. Новый этап развития общих этических концепций гуманизма может быть лучше выражен понятием «гармонизм», т.е. понятием, включающим в себя более глубокое представление о единстве и гармонии природы и человека, который сам является частью природы. Можно полагать, что гармонизм тесно связан с идеей ноосферы В. И. Вернадского.

Универсальные функциональные блоки

Вопрос. Можно ли дать в настоящее время удовлетворительную систематику функциональных блоков?

Ответ. Сейчас возможна лишь предварительная систематика функциональных блоков, которая отчасти представлена в гл. 5 и 6. Функциональные блоки могут быть разделены на следующие большие группы: 1) трансформационные блоки, к которым относятся ферменты различных типов, 2) транспортные блоки,

3) сократительные блоки, 4) регулирующие блоки и др. Следует, однако, иметь в виду, что многие группы функциональных блоков пока неизвестны. Например, можно предположить существование специальных блоков, обеспечивающих организованную разборку клеточных структур. Косвенно в пользу этого свидетельствует то обстоятельство, что легко разрушающиеся кишечные клетки превращаются в стабильные структуры после обработки их глицерином. Его действие сводится прежде всего к экстракции различных, в том числе белковых, компонентов, среди которых, вероятно, должен быть и дезинтегрирующий клетку фактор. В нашей лаборатории было показано, что при индуцированном аутолизе дезинтеграция аутолизируемой в кислой среде мышцы резко увеличивается в присутствии пищеварительных слизей. Это позволило высказать предположение, что при переваривании дезинтеграция структур мышцы возникает в результате комбинированного действия ферментов, реализующих гидролиз ряда связей, а также сурфоктантов слизи. Последние обеспечивают разрушение соответствующих структур путем образования комплекса продукт реакции —субстрат—дезинтегрирующая молекула.

Рис. 47. Схема мембраны эритроцита человека с возможным положением белка «полоса 3» относительно других компонентов мембраны.

1 — мембрана; 2 — цитоплазма; 3 — белок «полоса 3»; 4 — гликофорин; 5 — актин; 6 — белок 4.1; 7 — спектрин; 8 — белок 4.2; 9 — анкирин; 10 — альдолаза; 11 — хемихромы; 12 — гемоглобин-2; 13 — гемоглобин-4.

Недавно появилось сообщение о существовании молекул специального типа, направляющих развитие клеточных структур в пространстве. Интересно, что технологический анализ биологических процессов позволяет высказать правдоподобное предположение относительно участия функциональных блоков определенного типа в анализе процесса и далее проверить такое предположение экспериментально.

Вопрос. Может ли открытие неизвестных в настоящее время функциональных блоков существенно изменить представления о технологии и структурнофункциональной организации биологических систем?

Ответ. Как было отмечено ранее, некоторые недавно открытые функциональные блоки представляют собой комбинации блоков уже известных типов. Но нельзя исключить, что открытие неизвестных до сих пор функциональных блоков повлияет на понимание процессов, реализуемых живыми системами. Ярким примером служит белок мембраны эритроцитов, получивший на основании электрофоретических характеристик название «полоса 3» (П-3). Недавно сделан детальный обзор структуры и функций этого белка (Biochim. biophys. acta. 1986. Vol. 864. P. 145—167). Такой функциональный блок привлек внимание прежде всего в связи с тем, что он составляет около 25 % общего количества белка мембраны эритроцитов и присутствует в одной клетке в виде миллионов копий. Он обладает молекулярной массой 90 000—100 000 дальтон, пронизывает мембрану и имеет сложную внутриклеточную часть, или домен (рис. 47 и 48). Недавно стали понятны его основные функции, точнее, группы функций. Так, трансмембранная часть этого блока катализирует обмен неорганических анионов (особенно Сl- и НСО_3-) через мембрану, а также участвует в транспорте воды. Далее, этот блок содержит антигенные детерминанты, в том числе в группах кровп А, В и О, а также резус-антиген. По всей вероятности, ой важен для опознавания стареющих и ненормальных клеток. Наконец, еще одна исключительно важная функция — связывание различных цитоплазматических белков, в том числе белков клеточного скелета.

Рис. 48. Схема цитоплазматической части, или домена, белка «полоса 3» мембраны эритроцита человека.

1 — мембрана; 2 — цитоплазма; 3 — белок «полоса 3»; 4 — цистеиновый кластер; 5 — регулируемая область; 6 — участок связывания анкирина; 7 — участок (участки) связывания иммуноглобулина G; 8 — триптофановый кластер; 9 — ферменты, тельца Хейнца, участок связывания гемоглобина.

Мы обратили внимание лишь на некоторые стороны этой принципиально важной группы функций, которую можно было бы обозначить как цепторную функцию, а функциональный блок, выполняющий ее, отнести к группе цепторов.

Внутриклеточный домен белка П-3 благодаря функции связывания обеспечивает пространственную организацию многих функций мембраны и клетки в целом, структурные связи внутри нее и т.д. В частности, П-3, по-видимому, связывает многие ферменты, участвующие в гликолитическом цикле, и тем самым обеспечивает: 1) пространственную организацию цикла, 2) взаимодействие с субстратами, поступающими через мембрану, 3) эффективную передачу АТФ на АТФ-энергизируемые насосы. Все это крайне важно, так как ранее считалось, что большинство ферментов гликолитической системы пространственно не организовано. Точно так же до сих пор не было ясно, почему именно энергия гликолиза особенно необходима для реализации активного транспорта. Теперь можно полагать, что такая связь обусловлена пространственной и функциональной интеграцией гликолитических ферментов с мембранными АТФазами. Поэтому уже не кажется удивительным, что в клетках почечных канальцев П-3 локализован в базолатеральной мембране.

Однако «функциональные» соображения и данные относительно локализации некоторых насосов, использующих энергию АТФ, в апикальной мембране позволяют предположить, что в последней также будет обнаружен П-3. Особенно большое количество этого белка скорее всего может быть выявлено в обкладоч-ных клетках желудка, в апикальной мембране которых находятся мощные протонные насосы, обеспечивающие выделение в полость этого органа соляной кислоты. Ясно также, что П-3, первоначально интерпретированный как специфический белок мембраны эритроцитов, в действительности представляет собой универсальный блок, как эго было показано в прямых экспериментах.

Следующая важная функция внутриклеточного домена П-3 — связывание с белком 4.1 (полоса 4.1 при электрофорезе) и анкирином. Оба эти белка служат посредниками во взаимодействии основных элементов цитоскелета — актина и спектрина с клеточной мембраной. Эта функция определяет многие функциональные и структурные свойства клетки, в частности ее форму.

Наконец, для понимания функций эритроцитов существенна способность П-3 заякоривать вблизи мембраны молекулы гемоглобина. При этом сродство окисленного и восстановленного гемоглобина к П-3 различно. В целом наличие якорной функции у П-3 значительно меняет представления о многих свойствах клеток и в особенности о свойствах внутренней поверхности клеточной мембраны.

Наконец, уже давно обращалось внимание на то обстоятельство, что адсорбция и десорбция ферментов с клеточных структур — один из механизмов регуляции свойств клетки. Теперь ясно, что существуют специальные функциональные блоки, способные специфически контролировать адсорбцию и десорбцию ферментов. Открытие блоков, подобных П-3, часто служит причиной пересмотра многих устоявшихся взглядов.

Вопрос. Как формирование сложных молекулярных машин, которые состоят из нескольких частей, или доменов (например, ионные насосы — АТФазы), объясняется в свете концепций универсальных функциональных блоков и теории физиологической эволюции?

Ответ. Существование сложных молекулярных, точнее, надмолекулярных машин находит объяснение. Оно зависит от тех случаев, при которых сочетание элементарных операций дает важный биологический эффект. Этот эффект не достигается простым суммированием эффектов элементарных операций, осуществляемых независимо. Например, можно упомянуть, что почти все элементы цикла Кребса — главного энергетического «котла» организмов, использующих кислород, существовали уже у анаэробов, у которых они выполняли другие функции. Сочетание таких элементов в виде цикла Кребса обеспечило поразительно высокую эффективность аэробного дыхания и постепенную аккумуляцию свободной энергии в виде макроэргической связи в АТФ. На определенном этапе цикл Кребса стал эволюировать как единое целое. По-видимому, мутации, которые могли бы модифицировать его, были чрезвычайно невыгодны.

Точно так же сформировавшиеся ион-транспортирующие АТФазы (ионные насосы) настолько связаны с их интегральным эффектом, что сохранились как единое целое. В то же время составляющие их элементы в ходе эволюции были элиминированы. Может быть, в будущем будут обнаружены древние функциональные блоки, вошедшие в состав различных насосов.

Вопрос. Складывается впечатление, что в свете концепции универсальных функциональных блоков эволюция происходит исключительно на основе их рекомбинации, а не эволюции. Так ли это?

Ответ. Лишь на первый взгляд кажется, что идея эволюции на основе рекомбинации универсальных функциональных блоков отрицает эволюцию вообще. Это неверно, ибо неизменность элементов не означает отсутствие изменений более сложных систем, в которые эти элементы входят как составные части. Кроме того, нельзя полностью исключить, что в ходе длительной эволюции может происходить некоторое изменение и самих функциональных блоков (или их частей), что приводит к формированию новых функциональных блоков. Так, несомненный интерес представляют недавно полученные данные о гомологии β-лактоглобулина, ретинолсвязывающего белка плазмы крови и белка НС (Science. 1985. Vol. 228. P. 335-337). Эти белки, различные по локализации, имеют большое сходство в первичной структуре и осуществляют сопряженные функции. Так, ретинолсвязывающий белок крови участвует в транспорте витамина А, β-лактоглобулин молока облегчает всасывание этого витамина, а белок НС принимает участие в экскреции метаболитов ретинола.

Следовательно, из общего предшественника возникло семейство родственных функциональных блоков. Вместе с тем рекомбинация блоков чувствуется и в этом случае. По-видимому, одним из важных путей эволюции является вариабельность так называемых функционально незначимых участков белков. Эти участки на определенных этапах эволюции могут приобретать неожиданное функциональное значение, что интерпретируется как преадаптация. Имеет значение еще один путь эволюции функциональных блоков — их первичная транспозиция с экспрессией в другом органе и далее быстрая вариабельность дуплицированного гена.

Вопрос. Существуют ли механизмы, обеспечивающие тонкие адаптивные перестройки на основе универсальных функциональных блоков?

Ответ. Изменение соотношений различных функциональных блоков уже само по себе обеспечивает возможность широкого спектра адаптивных перестроек системы, состоящей из таких блоков. Например, при изменении распределения нескольких блоков в различных частях клетки ее функции могут меняться от секреторной к всасывательной; клетка может обеспечивать увеличение избирательного транспорта одних веществ на фоне уменьшения других и т.д. Однако в настоящее время очевидно, что существует несколько дополнительных механизмов, которые позволяют получать эффекты «подгонки» молекулярных машин. Один из таких механизмов — система процессингов уже готовых синтезированных функциональных блоков. Это достигается несколькими путями. Один из наиболее распространенных — введение в белковые структуры углеводных цепей, которое осуществляется в аппарате Гольджи. Именно от углеводных компонентов белка зависят многие особенности, в том числе видовые и органные. Это было продемонстрировано, в частности, для мембранных ферментов клеток почечных канальцев, а также для щеточнокаемных ферментов тонкой кишки новорожденных и взрослых животных.

Вопрос. Существуют ли различия между представлениями о функциональных блоках, доменах, модулях, функциональных единицах, структурно-функциональных единицах и т.д.?

Ответ. Ранее неоднократно отмечалось, что в основе организации функций и процессов в живых системах лежит фундаментальный принцип блочности. Естественно, что этот принцип так или иначе проявляется в различных исследованиях и описывается под разными терминами, в частности под упомянутыми выше. Функциональные блоки универсальны, но могут участвовать в различных процессах. Например такие, казалось бы, далекие процессы, как осморегуляция у рыб и проведение нервного импульса у млекопитающих, реализуются идентичными функциональными блоками.

Принцип блочности справедлив как для субклеточного и клеточного уровней, так и для более высокого уровня организации, например для организма или надорганизменных систем. Можно говорить о функциональных блоках различных порядков, но можно давать им различные названия. Так, относительно недавно было продемонстрировано, что фермент состоит из блоков или, как их часто называют, модулей, или доменов (см. гл. 2).

Вопрос. Обязательны ли побочные эффекты лекарственных препаратов в свете новейших достижений фармакологии?

Ответ. Побочные эффекты лекарственных веществ — крайне неприятное следствие универсальности функциональных блоков. Побочные эффекты, например, сердечных препаратов на почки, пищеварительный аппарат или нервную систему отражают тот простой факт, что сходные функциональные блоки в больших или меньших количествах локализованы в клетках всех типов. Новые находки подтверждают эту точку зрения. Так, недавно (Science. 1985. Vol. 228. P. 337—339) было показано, что циклоспорин А, один из наиболее мощных иммуносупрессивных агентов, необходимых для предупреждения отторжения пересаженных органов (сердца, почек, печени и т.д.), служит одновременно чрезвычайно эффективным средством против многих заболеваний. К таким заболеваниям относятся не только аутоиммунные, но и инфекционные болезни, например малярия и шистосомиаз. Последнее затрагивает около 1 млрд. человек. В основе такого широкого спектра действия циклоспорина А лежит его взаимодействие с кальмодулином. Если это так, то ясно, что указанный агент действует не только на лимфоциты, но и на все клетки и ткани организмов самых различных групп, поскольку присутствие у них кальмодулина доказано (см. гл. 5). Однако чувствительность к этому агенту у разных организмов, тканей и клеток отличается во много раз или даже порядков.

Естественные технологии и трофология

Вопрос. Может быть, теорию сбалансированного питания, сыгравшую столь выдающуюся положительную роль в рационализации питания человека и кормления животных, следует модернизировать, а не заменять теорией адекватного питания?

Ответ. Классическая теория ни в коей мере не отменяется. Ее важнейшее положение о соответствии расхода и поступления необходимых пищевых веществ в организм полностью входит в новую теорию адекватного питания. Но этот постулат — лишь один из ряда постулатов новой теории. Действительно, основу последней составляют как балансный подход к оценке пищи и режима питания, так и представления о питании как о системе надорганизменных процессов, включающих макроорганизи и определенную сложную микрофлору его желудочно-кишечного тракта; о взаимодействии нутритивного, регуляторного и токсического потоков из желудочно-кишечного тракта во внутреннюю среду организма; об эволюционной адаптированности к определенным типам пищи и питания, а не только к соответствующим типам нутриентов, и т.д. Наконец, теория адекватного питания является технологичной.

Развитие комплекса паук о пище и питании, в том числе и их клинических аспектов, привело к тому, что эти две теории дают различные предсказания. Вот некоторые примеры этому.

1.    Согласно новой теории, прямое (парентеральное) питание невозможно, так как длительное введение даже максимально оптимизированного набора пищевых веществ в кровь приводит к серьезным нарушениям организма. Эти нарушения зависят, в частности, от изменений эндоэкологии и связаны с дефектами деятельности бактериальной флоры желудочно-кишечного тракта. Парентеральное питание нарушает также поступление во внутреннюю среду организма гормонов пищеварительного аппарата, продукция которых тесно связана с процессами переработки и всасывания пищевых веществ.

2.    В последнее время все большее применение получает так называемое энтеральное питание с помощью тонких зондов, вводимых через нос в желудок или в тонкую кишку. Можно думать, что сейчас медицина вступила в эру энтерального питания. Казалось бы, что при таком типе питания наиболее удобно (а с позиций теории сбалансированного питания и оправданно) введение продуктов, непосредственно пригодных к всасыванию. Однако исследования на животных и особенно на человеке показали, что близкая к естественной полимерная пища более целесообразна, чем пища, состоящая из готовых конечных продуктов переваривания — мономеров. Кроме того, оказалось необходимым добавление балластных веществ, которые служат не только механическим фактором, но и чрезвычайно важны для адсорбции на них ряда эндогенных и экзогенных веществ, а также для их транспортировки вдоль тонкой кишки (см. гл. 3).

3. Нередко подчеркивается, что теория сбалансированного питания — основа эффективного кормления многих сельскохозяйственных животных. Это действительно так, но с рядом оговорок. В пищу ряда сельскохозяйственных животных вводятся компоненты, которые обеспечивают ее адекватность, т.е. максимально благоприятное протекание всех процессов переваривания, всасывания, микробной переработки и т.д., а не только соответствие между составом вводимых и теряемых веществ.

Ясно, что все приведенные факты и аргументы служат в пользу не классической, а новой теории.

Вопрос. Не преувеличено ли значение регуляторных факторов в процессе питания?

Ответ. По-видимому, важность регуляторных факторов в питании не преувеличена, так как поток гормонов и других физиологически активных веществ из желудочно-кишечного тракта во внутреннюю среду организма необходим для усвоения поступающих пищевых веществ. Можно ограничиться лишь одним примером (в дополнение к тому, что сказано выше). Хорошо известно, что усвоение глюкозы контролируется, в частности, инсулином. Сейчас твердо установлено, что при прохождении через желудочно-кишечный тракт (т.е. до всасывания) простые и отчасти сложные углеводы стимулируют инсулярный аппарат через посредство некоторых гормонов, продуцируемых эндокринными клетками пищеварительного аппарата. Наконец, есть определенные основания думать, что нарушения обмена веществ при старении организма связаны с дефектами регулирующих влияний желудочно-кишечного тракта.

Что касается роли активных веществ, поступающих извне, то, по всей вероятности, она значительно больше, чем предполагалось до настоящего времени. Сейчас накапливается обширная информация относительно того, что общее состояние организма, его эмоциональный статус и т.д. зависят от поступления в организм предшественников многих гормонов и медиаторов, в частности от содержания в пище различных аминокислот, предшественников катехоламинов, серотонина и т.д.

Вопрос. Не являются ли представления о нутритивной культуре, или культуре питания, новым выражением современных взглядов на диеты и рациональное питание?

Ответ. Нет, это не так. Нутритивная культура основана на современных знаниях в самом широком смысле слова, включая эволюционные и физико-химические подходы к проблеме и современные возможности создания адекватного питания. Так как знания будут расти, то будет расти и культура питания.

Представления о нутритивной культуре включают в себя ряд понятий, в том числе о композиционной адекватности пищи, об ее энергетической и пластической адекватности, о режиме питания и т.д. Благодаря этому обеспечивается не только удовлетворение потребностей организма в необходимых пищевых компонентах, но и активация депо, которая наблюдается при перерывах в питании. Эти необходимые перерывы создают кратковременное отсутствие баланса между расходом и притоком пищевых веществ. Вместе с тем на протяжении определенных интервалов времени требуется хорошая сбалансированность в потреблении и расходе пищи. При высокой нутритивной культуре возможно также поддержание эндоэкологии, что требует конструирования благоприятных ситуаций для микробной популяции кишечника человека, начиная с рождения. Возможно, в будущем каждый человек сможет иметь в специальном банке образец собственной эндоэкологии, что позволит восстанавливать ее после вынужденного применения лекарственных веществ, в особенности антибиотиков. Не исключено, что в еще более отдаленном будущем бактериальная флора человека будет обогащена привычными для него бактериями, которые будут продуцировать более значимые, чем сейчас, количества физиологически полезных веществ, в том числе витаминов, аминокислот и др. До того как будут сделаны подобные улучшения состава бактериальной флоры человека, более реальным представляется введение в естественную микрофлору сельскохозяйственных животных продуцентов многих полезных веществ, в том числе упомянутых выше, а также защитных. Это явилось бы революцией в сельском хозяйстве.

Технологические предсказания

Вопрос. Каковы предсказания, основанные на технологических подходах к биологическим системам?

Ответ. Представления о естественных технологиях позволяют предсказать неизвестные в настоящее время свойства биологических систем. Вероятно, это самое важное проявление плодотворности таких представлений и их правильности. Анализ сложных процессов и закономерностей дает возможность охарактеризовать проблемы структурной и функциональной схем и теоретически указать недостающие в них элементы. Это касается и организации биологических процессов, и закономерностей эволюции. Диапазон предсказаний очень широк. Ограничимся несколькими примерами.

1.    Выше (гл. 6) приведено одно из технологических предсказаний — существование у людей эволюционного (генетического) диабета, возникающего в результате точечной мутации в значимых местах гена, кодирующего синтез инсулина.

2.    Технологии биологических процессов, возникшие в результате развития живой природы, обладают свойствами, которые были рассмотрены ранее. Эго некоторая последовательность операций, дающих определенный биологический эффект. Операции выполняются соответствующими функциональными блоками, деятельность которых организована в пространстве и времени и находится под определенным контролем. Так как биологические системы регулируются, то, как правило, можно ожидать, что соответствующие регуляторы будут стимулировать или ингибировать активность функциональных блоков или их синтез. В нашей лаборатории было продемонстрировано, что на систему, транспортирующую глюкозу, и на уровень сахаразной активности тонкой кишки оказывают влияние регуляторы, которые меняют активность работающих транспортеров и ферментов. Таким образом, технологическая гипотеза о контроле и регулируемости естественных процессов нашла подтверждение. Интересно, что удалось показать также существование по крайней мере одного фактора, контролирующего синтез сахаразы в клетках тонкой кишки высших организмов.

3. Химический мессенжер и его рецептор составляют сложный комплекс более высокого порядка, чем каждый из его элементов. Биологически полезный эффект — результат взаимодействия этого комплекса с ретрансляционной системой некоторого сигнала. Например, связывание гормона с рецептором на поверхности клетки полезно постольку, поскольку происходит ретрансляция внеклеточного сигнала во внутриклеточный. В соответствии с такой точкой зрения существование рецепторной функции обязательно требует наличия соответствующего лиганда. На этом основании нетрудно было предположить, что опиатным рецепторам в организме высших животных и человека должны соответствовать собственные лиганды, которые и были идентифицированы — это эндорфины и энкефалины. В настоящее время показало существование ряда рецепторов, пока не имеющих установленных лигандов. Однако можно предположить, что такие лиганды будут обнаружены, в частности для уабаинчувствительных АТФаз. Более того, можно думать, что высокая специфическая чувствительность организма к некоторым ядам, например к токсическим аминам и, в частности, к кадаверину, обусловлена определенными рецепторами. В свою очередь это позволяет предположить наличие для них соответствующих эндогенных лигандов. Другими словами, постулируется существование одной или нескольких неизвестных до настоящего времени аминзависимых регуляторных систем. По аналогии с эндорфинной системой можно допустить существование эндокадаверинной системы, обладающей высокой избирательной активностью.

ОСНОВНАЯ ЛИТЕРАТУРА

Адрианов О. С. О принципах организации интегративной деятельности мозга. М.: Медицина, 1976. 279 с.

Анохин П. К. Биология и нейрофизиология условного рефлекса. М.: Медицина, 1968. 547 с.

Антонов В. К. Химия протеолиза. М.: Наука, 1983. 367 с.

Ашмарин И. П. Регуляторные пептиды, происхождение и иерархия // Журн. эволюц. биохимии и физиологии. 1982. Т. 18. С. 3—10.

Ашмарин И. П., Ключарева Л. А. Ингибиторы синтеза белка. Л.: Медицина, 1975. 208 с.

Безвредность пищевых продуктов / Под ред. Г. Р. Робертса. М.: Агропромиздат, 1986. 287 с.

Беклемишев В. Н. Основы сравнительной анатомии беспозвоночных. Т. 2. Органология. М.: Наука, 1964. 446 с.

Биологические мембраны: Двенадцать очерков о структуре, свойствах и функциях мембран / Под ред. Д. С. Парсонса. М.: Атомиздат, 1978. 230 с.

Биосфера / Под ред. М. С. Гилярова. М.: Мир, 1972. 183 с.

Бир Ст. Кибернетика и управление производством. М.: Наука, 1965. 391 с.

Будыко М. И. Эволюция биосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1984. 488 с.

Бэр К. М. (1828). История развития животных. Л.: Изд-во АН СССР, 1950. Т. 1. 466 с.

Вавилов Н. И. (1920). Закон гомологических рядов в наследственной изменчивости // Избр. тр. М.; Л.: Изд-во АН СССР, 1935. Т. 5. С. 179—222.

Вайсфельд М. Л., Кассиль Г. Н. Гистамин в биохимип и физиологии. М.: Наука, 1981. 277 с.

Вальдман А. Р. Питание и микрофлора // Химические и физиологические проблемы создания и использования синтетической пищи. Рига : Зинатне, 1972. С. 60—89.

Веренииов А. А., Марахова И. И. Транспорт ионов у клеток в культуре. Л.: Наука, 1986. 292 с.

Вернадский В. И. Биосфера. Л.: Науч. хим.-техн. изд-во, 1926. 148 с.

В. И. Вернадский и современность / Под ред. Б. С. Соколова. А. Л. Яишипа, А. Г. Назарова. М.: Наука, 1986. 230 с.

Винер Я. Я — математик. М.: Наука, 1964. 355 с.

Винников Я. А. Эволюция рецепторов : Цитологический, мембранный п молекулярный уровни. Л.: Наука, 1979. 139 с.

Волькенштейн М. В. Физический смысл нейтралистской теории эволюции // Журн. общ. биологии. 1981. Т. 42, С. 680-686.

Воронцов Н. Н. Синтетическая теория эволюции : Ее источники, основные постулаты и нерешенные проблемы// Журн. Всесоюзн. хим. об-ва им. Д. И. Менделеева. 1980. Т. 25. С. 295—314.

Газенко О. Г., Григорьев А. И., Наточин Ю. В. Водно-солевой гомеостаз и космический полет. М.: Наука, 1985. 238 с.

Гинецинский А. Г. Об эволюции функций и функциональной эволюции. М.; Л.: Изд-во АН СССР, 1961. 21 с.

Говырин В. А. Трофическая функция симпатических нервов сердца и скелетных мышц. Л.: Наука, 1967. 131 с.

Грант В. Эволюция организмов. М.: Мир, 1980. 407 с.

Дарвин Ч. (1859). Происхождение видов путем естественного отбора или сохранение благоприятствуемых пород в борьбе за жизнь//Собр. соч. М.; Л.: Изд-во АН СССР, 1939. Т. 3. 831 с.

Догель В. А. Экология беспозвоночных / Под ред. Ю. И. Полянского. 7-е изд. М.: Высш. шк., 1981. 606 с.

Елецкий Ю. К., Яглов В. В. Эволюция структурной организации эндокринной части поджелудочной железы позвоночных. М.: Наука, 1978. 168 с.

Жаворонков II. М. Научно-технический прогресс и проблемы химической технологии // Менделеевский съезд по общей и прикладной химии. Л.: Наука, 1977. С. 40—69.

Желудочно-кишечные гормоны и патология пищеварительной системы / Под ред. М. Гроссмана и др. М.: Медицина, 1981. 271 с.

Жерарден Л. Бионика. М.: Мир, 1971. 230 с.

Завадский К. М., Колчинский Э. И. Эволюция эволюции: Историко-критические очерки проблемы. JI.: Наука, 1977. 236 с.

Заварзин А. А. Основы частной цитологии и сравнительной гистологии многоклеточных животных. JI.: Наука, 1976. 411 с.

Заварзин А. А. Состояние и перспективы разработки проблемы эволюционной динамики, тканей // Цитология. 1981. Т. 23. С. 971—990.

Зенгбуш П. Молекулярная и клеточная биология. М.: Мир, 1982. Т. 1. 367 с.; Т. 2. 438 с.; Т. 3. 344 с.

Иванов А. В. Происхождение многоклеточных животных: Филогенетические очерки. Л.: Наука, 1968. 287 с.

Ивашкин В. Т. Метаболическая организация функций желудка. Л.: Наука, 1981. 215 с.

Кагава Я. Биомембраны. М.: Высш. шк., 1985. 303 с. у, Каневский Е. М., Краснянский Э. В., Лысов М. М., Новоже-нов Ю. М. О продуктах и культуре потребления. М.: Экономика, 1984. 230 с.

Кедров Б. М. Об интеграции науки с производством // Взаимодействие наук. М.: Наука, 1984. С. 197—241.

Кейлоу П. Принципы эволюции. М.: Мир, 1986. 128 с.

Кибяков А, В., Сахаров Д. А. Рассказы о медиаторах. М.: Знание, 1978, 64 с.

Кимура М. Молекулярная эволюция: Теория нейтральности. М.: Мир, 1985. 398 с.

Климов П. К. Физиологическое значение пептидов мозга для деятельности пищеварительной системы. Л.: Наука, 1986. 256 с.

Клнорин А. И. Заболевания эндокринных желез и нарушения обмена веществ : Сахарный диабет : Пособие по педиатрии. Л., 1976. С. 154-160.

Конышев В. А. Питание и регулирующие системы организма. М.: Медицина, 1985. 223 с.

Костюк П. Г. Кальций и клеточная возбудимость. М.: Наука, 1986. 255 с.

Костюк П. Г., Крышталь О. А. Механизмы электрической возбудимости нервной клетки. М.: Наука, 1981. 204 с.

Коштоянц X. С. Основы сравнительной физиологии. М.; Л.: Изд-во АН СССР, 1950. Т.1. 524 с.

Крепе Е. М. Липиды клеточных мембран : Эволюция липидов мозга : Адаптационная функция липидов. Л.: Наука, 1981. 339 с.    ,

Кузнецов Б. Г. Идеалы современной науки. М.: Наука, 1983.

255 с.

Кузнецов В. И. Взаимосвязь химии и химической технологии // Взаимодействие наук. М.: Наука, 1984. С. 168—197.

Кузнецов В. И., Зайцева 3. А. Химия и химическая технология : Эволюция взаимосвязей. М.: Наука, 1984. 295 с.

Левоитин Р. Генетические основы эволюции. М.: Мир, 1978. 351 с.

Ленинджер А. Биохимия : Молекулярные основы структуры и функции клетки. М.: Мир, 1974. 957 с.

Локшина Л. А. Реакции органического протеолиза и их регуляторное значение // Успехи биол. химии. 1983. Т. 18. С. 162—184.

Лондон Е. С. Физиология н патология пищеварения. Пг.: Практ. медицина, 1916. 168 с.

Майр Э. Популяция, виды и эволюция. М.: Мир, 1974. 460 с.

Мамкаев Ю. В. О гистологической организации пищеварительной системы турбеллярий//Эволюционная морфология беспозвоночных // Тр. Зоол. ин-та АН СССР. 1979. Т. 81 С. 13-24.

Медавар П., Медавар Дж. Наука о живом : Современные концепции в биологии. М.: Мир, 1983. 207 с.

Медников Б. М. Современное состояние и развитие закона гомологических рядов в наследственной изменчивости // Проблемы новейшей истории эволюционною учения. Л.: Наука, 1981. С. 127-135.

Мембранный гидролиз и транспорт: Новые данные и гипотезы/Под ред. А. М. Уголева. Л.: Наука, 1986. 240 с.

Мембраны : ионные каналы / Под ред. 10. А. Овчинникова. М.: Мир, 1981. 320 с.

Мечников И. И. (1880). О внутриклеточном пищеварении у кишечнополостных II Акад. собр. соч. М.: Изд-во мед. лпт., 1954. Т. 5. С. 9—10.

Михельсон М. Я. Сравнительная и эволюционная фармакология // Успехи физиол. наук. 1977. Т. 8, № 3. С. 3—27.

Молекулярные и клеточные аспекты биотехнологии / Под ред. С. Г. Инге-Вечтомова. Л.: Наука, 1986. 356 с.

Наточин Ю. В. Эволюция водно-солевого обмена и почки // Эволюционная физиология / Под ред. Е. М. Крепса. Л.: Наука, 1983. Ч. 2. С. 371—426, 490—493. (Руководство по физиологии).

Несмеянов А. Н., Беликов В. М. Проблема сиитеза пищи // IX Менделеевский съезд по общей и прикладной химии. М.: Наука, 1965. 24 с.

Никольский Н. Н. Всасывание сахаров // Физиология всасывания / Под род. А. М. Уголева. JL: Наука, 1977. С. 249—284. (Руководство по физиологии).

Овчинников 10. А., Иванов В. Т., Шкроб А. М. Мембранноактивные комплексы. М.: Наука, 1974 463 с.

Одум Ю. Экология. М.: Мир, 1986. Т. 1. 328 с.; Т. 2. 376 с.

Оно С. Генетические механизмы прогрессивной эволюции. М.: Мир, 1973. 227 с.

Орбели JI. А. Основные задачи и методы эволюционной физиологии // Эволюция функций нервной системы. Л.: Мед-гиз, 1958. С. 7—17.

Основы управления технологическими процессами / Под ред.

Н. С. Райбмана. М.: Наука, 1978. 440 с.

Павлов И. П. (1897). Лекции о работе главных пищеварительных желез II Поли. собр. соч. М.; Л.: Изд-во АН СССР, 1951. Т. 2, кн. 2. С. 11—215.

Петровский К. С. Азбука здоровья : О рациональном питании человека. М.: Знание, 1982. 112 с.

Печчеи А. Человеческие качества. М.: Пpoгpecc, 1982. 312 с.

Покровский А. А. Роль биохимик в развитии науки о питании : Некоторые закономерности ассимиляции пищевых веществ на уровне клетки и. целостного организма. М.: Наука, 1974. 127 с.

Проблемы теории молекулярной эволюции / Под ред. Р. И. Сал-ганика. Новосибирск : Наука, 1985. 263 с.

Происхождение жизни и эволюционная биохимия / Под ред. Г. Деборина. М.: Наука, 1975. 404 с.

Пройс К.-Х. Пути к умеренности : Стратегия на будущее. М.: Прогресс, 1984. 254 с.

Проссер Л.. Браун Ф. Сравнительная физиология животных. М.: Мир, 1367. 766 с.

Развитие научного наследия академика Л. А. Орбели. Л.: Наука, 1982. 301 с.

Развитие эволюционной теории в СССР (1917—1970-е годы) / Под ред. С. Р. Микулинского, Ю. И. Полянского. Л.: Наука, 1983. 613 с.

Гайдер К., Тейлор К. Изоферменты. М.: Мир, 1983. 107 с.

Райс .). Аллелопатия. М.: Мир, 1978. 302 с.

Рахимов К. Р., Демидова А. И. Углеводы и механизмы их усвоения. Ташкент : Фап, 1986. 132 с.

Резанов И. А. Эволюция земной коры. М.: Наука, 1985. 144 с.

Рецепторы клеточных мембран для лекарств и гормонов: Междисциплинарный подход / Под ред. Р. У. Штрауба, Л. Болис. М.: Медицина, 1983. 368 с.

Риклефс Р. Основы общей экологии. М.: Мир, 1979. 424 с.

Свидерский В. Л. Основы нейрофизиологии насекомых. Л.: Наука, 1980. 280 с.

Северцов А. Н. Современные задача эволюционной теории // Собр. соч. М.; Л.: Изд-во АН СССР, 1954. Т. 3. С. 217— 282.

Северцов А. С. Введение в теорию эволюции. М.: Изд-во МГУ,

1981. 318 с.

Семенов Н. Н. Наука и общество : Статьи и речи. 2-е изд. М.: Наука, 1981. 488 с.

Серавин Л. Н. О наличии механизмов пиноцитоза и фагоцитоза (на примере Amoeba proteus) // Цитология. 1968. Т. 10. С. 506—516.

Серавин JI. Н. Простейшие... Что это такое? Л.: Наука, 1984. 174 с.

Симонов П. В. Эмоциональный мозг. М.: Наука, 1981. 215 с. Скок В. И. Физиология вегетативных ганглиев. JL: Наука, 1970. 235 с.

Слоним А. Д. Экологическая физиология животных. М.: Высш. шк., 1971. 448 с.

Смагин В. Г., Виноградов В. А., Булгаков С. А. Лиганды опиатных рецепторов : Гастроэнтерологические аспекты. М.: Наука, 1983. 272 с.

Смирнов К. В., Уголев А. М. Космическая гастроэнтерология.

М.: Наука, 1981. 278 с.

Сравнительная физиология животных / Под ред. Л. Проссера. М.: Мир, 1977—1978. Т. 1. 608 с.; Т. 2. 653 с.; Т. 3. 653 с.

Стейниер Р., Эдельберг Э., Ингрэм Дж. Мир микробов. М.: Мир, 1979. Т. 1. 318 с.; Т. 2. 334 с.; Т. 3. 486 с. Стояновский С. В. Биоэнергетика сельскохозяйственных животных : Особенности и регуляция. М.: Агропромиздат, 1985. 224 с.

Татаринов Л. П. Палеонтология и эволюционное учение. М.: Знание, 1985. 64 с.

Тахтаджан А. Л. Микроэволюционные процессы в истории органического мира // Ботайич. жур. 1983. № 12. С. 1593— 1603.

Тимофеев-Ресовский П. В., Воронцов II. Н., Яблоков А. В.

Краткий очерк теории эволюции. 2-е изд. М.: Наука, 1977. 301 с.

Уварова Л. И. О развитии взаимосвязи естественных и технических наук // Материалы симпозиума. М.: Ин-т истории естествозвания и техники АН СССР, 1976. С. 12—16. Уголев А. М. Пищеварение и его приспособительная эволюция. М.: Высш. шк., 1961. 306 с.

Уголев А. М. Физиология и патология пристеночпого (контактного) пищеварения. Л.: Наука, 1967. 230 с.

Уголев А. М. Мембранное пищеварение : Полисубстратные процессы, организация и регуляция. Л.: Наука, 1972. 358 с. Уголев А. М. Энтериновая (кишечная гормональная) система.

Л.: Наука, 1978. 315 с.

Уголев А. М. Трофология — новая междисциплинарная наука // Вестн. АН СССР. 1980. № 1. С. 50—61.

Уголев А. М. Эволюция пищеварения и принципы эволюции функций: Элементы современного функционализма. Л.: Наука, 1985. 544 с.

Уиттекер Р. Сообщества и экосистемы. М.: Прогресс, 1980. 327 с.

Ферворн М. Общая физиология: Основы учения о жизни.

Вып. 1-й. М.: Типография т-ва И. Д. Сытина, 1897. 518 с. Физиология всасывания / Под ред. А. М. Уголева. Л.: Наука, 1977. 668 с. (Руководство по физиологии).

Физиология пищеварения / Под ред. А. В. Соловьева. Л.: Наука, 1974. 761 с. (Руководство по физиологии).

Физиология почки / Под ред. Ю. В. Наточина. Л.: Наука, 1972. 398 с.

Флори Е. Эволюционные аспекты синаптической передачи // Журн. эволюц. биохимии и физиологии. 1972. Т. 8.

С. 3—7,

Флоркэн М. Биохимическая эволюция. М.: ИЛ, 1947. 176 с. Хесин Р. Б. Непостоянство генома. М.: Наука, 1984. 472 с. Чахава О. В., Горская Е. М., Рубан С. 3. Микробиологические и иммунологические основы гнотобиологии. М.: Медицина, 1982. 160 с.

Шмальгаузен И. И. Проблемы дарвинизма. Л.: Наука, 1969. 493 с.

Шмальгаузен И. И. Избранные труды // Организм как целое в индивидуальном и историческом развитии. М.: Наука, 1982. 383 с.

Шмидт-Ниельсен К. Физиология животных : Приспособление и среда. М.: Мир, 1982. Т. 1. 416 с.; Т. 2. 384 с.

Шульц Г., Ширмер Р. Принципы структурной организации белков. М.: Мир, 1982. 354 с.

Эволюционные идеи в биологии / Под ред. Ю. И. Полянского.

Л.: Изд-во ЛГУ, 1984. 128 с.

Эволюционная физиология / Под ред. Е. М. Крепса. Л.: Наука, 1979. Ч. 1. 602 с.; 1983. Ч. 2. 507 с. (Руководство по физиологии) .

Эволюция/Под ред. М. В. Мина. М.: Мир, 1981. 264 с.

Эдсолл Дж., Гатфренд X. Биотермодинамика. М.: Мир, 1986. 296 с.

Эйкофф П. Основы идентификации систем управления : Оценивание параметров и состояния. М.: Мир, 1975. 683 с. Эмануэль Н. М., Заиков Г. Е. Химия и пища. М.: Наука, 1986. 173 с.

Энгельгардт В. А. Познание явлений жизни. М.: Наука, 1985. 303 с.

Эрлих П. Экспериментальные исследования о специфической терапии // Биологические этюды. СПб., 1911. 145 с.

Яблоков А. В., Парина Н. И. Введение в фенетику популяций. М.: Высш. шк., 1985. 159 с.

Akera Т. Effects of cardiac glycosides on Na+, K+-ATPase // Hef-fter’s handbook of experimental pharmacology, 561: Cardiac glycosides / Ed.'SK. Greeff. Heidelberg: Springer, 1981. P. 288-336.

Allen R. D. Membranes of ciliates: ultrastructure, biochemistry and fusion // Cell Surf. Rev. 1978. Vol. 5. P. 657-763.

Allen R. D., Fok A. K. Nonlysosomal vesicles (acidosomes) are involved in phagosome acidification in Paramecium // J. Cell Biol. 1983. Vol. 97. P. 566-570.

Alvarado F., Robinson J. W. L. A kinetic study of the interactions at the intestinal brush-border|membrane// J. Physiol. 1979. Vol. 295. P. 457-475.

Aomine M. The carbohydrate transport and the utilization in Protozoa // Comp. Biochem. Physiol. 1981. Vol. 68A. P. 131-147.

Aomine M. The amino acid absorption and transport in Protozoa//Comp. Biochem. Physiol. 1981. Vol. 68A. P. 531 — 540.

Atkinson D. E. Cellular-energy metabolism and its regulation.

New York etc.: Acad. Press, 1977. 203 p.

Bainton D. F. The discovery of lysosomes//J. Cell Biol. 1981.

Vol. 91. P. 66s—76s.

Biochemistry of membrane transport / Ed. G. Semenza, E. Cara-foli. Berlin: Springer, 1977. 669 p.

Biological membranes / Ed. D. Chapman, D. F. II. Wallach.

London etc.: Acad. Press, 1976. Vol. 3. 362 p.

Bodanszky M. The secretin family and evolution // Gastrointestinal hormones: A symposium / Ed. J.C. Thompson. Austin; London: Univ. Texas Press, 1975. P. 507-518.

Brain neurotransmitters and hormones / Ed. R. Collu ot al. New York: Raven Press, 1982. 409 p.

Brush border membranes / Ed. R. Porter, G. M. Collins. Ciba Found. Symp. 95. London: Pitman, 1983. 340 p.

Calmodulin and cell function / Ed. D. M. Watterson, F. F. Vin-cenzi//Annu. New York Acad. Sci. 1980. Vol. 356. P. 1-446. Chemical zoology/Ed. M. Florkin, В. T. Scheer. New York; London: Acad. Press, 1967—1972. Vol. 1. 912 p.; Vol. 2. 639 p.; Vol. 3. 687 p.; Vol. 4. 548 p.; Vol. 5. Part A. 460 p.; Vol. 6. 484 p.; Vol. 7. 567 p.

Csaky T. Z. Intestinal absorption of xenobiotics // Pharmacology of intestinal permeation, vol. 2 / Ed. T. Z. Csaky. Handbook exp. pharmacol. Vol. 70/2. Berlin etc.: Springer, 1984. P. 1— 30.

Cyclic nucleotides. Part II. Physiology and pharmacology / Ed. J. W. Kebabian, J. A. Nathanson. Berlin etc.: Springer,

1982. 888 p.

Dean R. T. Regulation and mechanisms of degradation of endogenous proteins by mammalian cells: general considerations // Degradative processes in heart and skeletal muscle / Ed. K. Wildenthal. Amsterdam etc.: Elsevier; North-Holland Biomed. Press. 1980. P. 3—30.

De Duve C., Wattiaux K. Functions of lysosomes//Annu. Rev.

Physiol. 1966. Vol. 28. P. 435—492.

Development of mammalian absorptive processes / Ed. K. Elliott, J. Whelan. Ciba Found. Symp. 70. Amsterdam etc.: Excerpta Medica, 1979. 338 p.

Endocrinology of the gut / Ed. W. Y. Chey, F. P. Brooks. Thoro-fare, New Jersey: С. B. Slack Inc., 1974. 373 p. Evolutionary biology. Vol. 7 / Ed. T. Dobzhansky, M. Hecht, W. Steere. New York: Plenum Press, 1974. 314 p. Gastrointestinal hormones / Ed. W. Creutzfeldt. London: Saunders, 1980. 803 p.

Germfree research: biological effect of gnotobiolic environments / Ed. J. B. Heneghan. 4th Intern. Symp. on Germfree Res. New York; London: Acad. Press, 1973. 673 p.

Griitte F.-K., Haenel H. Physiologie und Biochemie von Verdau-ung und Resorption // Biochem. Physiol. Ernahrung. 1980. Bd 1. S. 210—239.

Gut hormones / Ed. S. R. Bloom, J. M. Polak. Edinburgh etc.: Livingstone, 1981. 605 p.

Haenel H. Human normal and abnormal gastrointestinal flora // Amer. J. Clin. Nutr. 1970. Vol. 23. P. 1433—1439.

Haenel H. Human nutritional needs with special reference to balance between protein, carbohydrate, fat and vitamins at different levels of food supply // Workshop on food and nutrition/Ed. S. Rajki. Budapest: Akademiai Kiad6, 1979. P. 33—48.

Handbook of physiology. Sect. 6. Alimentary canal / Section ed.

C. F. Code. Washington: Amer. Physiol. Soc., 1968. Vol. 3. P. 1099—1570; Vol. 5. P. 2345—2898.

Harvey W. R. Membrane physiology of insects // Membrane physiology of invertebrates / Ed. R. Podesta et al. New York: Marcell Dekker, 1982. P. 496—566.

Heath E. C., Brinkley S. A., Haugen Т. H. The biosynthesis and turnover of glycoproteins // Carbohydrate metabolism and its disorders / Ed. P. J. Randle et al. London etc.: Acad. Press, 1981. Vol. 3. P. 331—362.

Immunology of the gut. Ciba Found. Symp. 46 // In memory of the late Joseph Hermans. Amsterdam etc.: ASP, 1977. 376 p.

Intestinal absorption / Ed. D. H. Smyth. Biomembranes. Vol. 4A.

London; New York: Plenum Press, 1974. 554 p.

Intestinal transport. Fundamental and comparative aspects / Ed. M. Gilles-Baillien, R. Gilles. Berlin etc.: Springer, 1983. 375 p.

Ito S. Structure and function of the glycocalyx // Federal. Proc.

1969. Vol. 29. P. 12—25.

Jennings J. B. Feeding; digestion and assimilation in animals. 2nd ed. London; Basingstoke: Macmillan Press, 1972. 244 p.

Jordan H. I. Vergleichende Physiologie wirbelloser Tiere: Die Er-nahrung. Jena, 1913. 760 S.

Jordan H. I. Allgemeine vergleichende Phisiologie der Tiere.

Berlin, 1929. 761 S.

Kenny A. J., Maroux S. Topology of microvillar membrane hydrolases of kidney and intestine // Physiol. Rev. 1982. Vol. 62. P. 91—128.

Knoke М., Bernhardt H. Mikrookologie des Magen-Darm-Kanals des Menschen // DDR-Med.-Rept. 6. 1977. N 1. S. 3—78. Koldovsk^ O. Development of the functions of the small intestine in mammals and man. Basel; New York: ICarger, 1969. 204 p.

McComb В. B., Bowers G. N., Posen S. Alkaline phosphatase.

New York: Plenum Press, 1979. 986 p.

Means A. R. Calmodulin: properties, intracellular localization, and multiple roles in cell regulation // Rec. Progr. Hormone Res. 1981. Vol. 37. P. 333—367.

Membrane structure and function / Ed. E. E. Bittar. New York etc.: Wiley, 1980. Vol. 1. 211 p.

Membrane transport processes / Ed. J. F. Hoffman. New York: Raven Press, 1978. Vol. 1. 476 p.

Molecular and cellular basis of digestion / Ed. P. Desnuelle.

Amsterdam etc.: Elsevier, 1986. 593 p.

Molisch H. Der Einfluss einerlPflanze auf die andere Allelopalliie. Jena: Fischer, 1937. 106 S,

Na, K-ATPase, structure and kinetics / Ed. J. C. Skou, J. G. Norby.

New York; London; Acad. Press, 1979. 549 p.

Niail H. D. The evolution of peptide hormones // Annu. Rev.

Physiol. 1982. Vol. 44. P. 615—624.

Peptide transport and hydrolysis / Ed. K. Elliott, M. O’Connor. Ciba Found. Symp. 50. Oxford etc.: ASP, 1977. 385 p.

Peptide transport in bacteria and mammalian gut / Ed. K. Elliott, M. O’Connor. Ciba Found. Symp. 4. Amsterdam: ASP, 1972. 161 p.

Peptide transport in protein nutrition / Ed. D. M. Matthews, J. W. Payne. Amsterdam etc.: ASP, 1975. 503 p. Pharmacology of intestinal permeation / Ed. T. Z. Csaky. (Handbook of exper. pharmacol. Vol. 70/1 and 70/2). Berlin etc.: Springer, 1984. Vol. 1. 708 p.; Vol. 2. 589 p.

Phillips J. Comparative physiology of insect renal function // Amer. J. Physiol. 1981. Vol. 241. P. R241—R257. Physiology of the gastrointestinal tract / Ed. L. R. Johnson. New York: Raven Press, 1981. Vol. 1. P. 1—772; Vol. 2. P. 773 -1492. 198(5 (2 ed.1.

Price D. A., Greenberg M. J. Purification and characterization of a cardioexcitatory neuropeptide from the central ganglia of a bivalve mollusc // Preparat. Biochem. 1977. Vol. 7. P. 261-281.

Price D. A., GreenbergM. J. The structure of a molluscan oardioex-

citatory neuropeptide // Science. 1977. Vol. 197. P. 670— 671.

Robison G. A., Butcher R. W., Sutherland E. W. Cyclic AMP.

New York; Acad. Press, 1971. 531 p.

Sandor T. Hormones and evolution: introduction // Adv. Physiol.

Sci. 1980. Vol. 20. P. 317—327.

Schuurmans Stekhoven F., Bonting S. L. Transport adenosine triphosphatases: properties and functions // Physiol. Rev. 1981. Vol. 61. P. 1-76.

Scientific basis of gastroenterology / Ed. H. L. Duthie, K. G. Worm-sley. Edinburgh etc.: Livingstone, 1979. 498 p.

Semenza G. Intestinal oligo- and disaccharidases // Carbohydrate metabolism and its disorders / Ed. P. J. Randle et al. London etc.: Acad. Press, 1981. Vol. 3. P. 425—479.

Smyth J. D. Changes in the digestive-absorptive surface of cesto-des during larval adult differentiation // Symp. Brit. Soc. Parasitol. 1972. Vol. 10. P. 41—70.

Snook J. T. Protein digestion//World Rev. Nutr. Diet. 1973.

Vol. 18. P. 121—174.

Stanley S. M. Macroevolution: pattern and process. San Francisco: W. H. Freeman and Co., 1979 . 332 p.

Structural and functional organization of the placenta / Ed. P. Kaufmann, B. F. King // Intern, symp. on structural and functional organization of the placenta, Hamburg, 1981. Basel etc,.: Karger, 1982. 164 p.

The endorphins / Ed. E. Costa, M. Trabucchi. New York: Raven Press, 1978. 379 p.

Track N. S. Evolutionary aspects of the gastrointestinal hormones // Comp. Biochem. Physiol. 1973. Vol. 45B. P. 291 — 301.

Transport and bioenergetics in biomembranes / Ed, R. Sate, 310

Y. Kagawa. Tokyo etc.: Japan Scient. Soc. Press; Plenum Press, 1982. 250 p.

Transport organs / Ed. G. Giebisch et al. Membrane transport in biology. Berlin etc.: Springer, 1979. Vol. 4A. P. 1—471; Vol. 4B. P. 472—939.

Vickers M. R. Cimetidine and the immune system // Cimetidine in the 80’ s / Ed. J. H. Baron. Edinburgh: Livingstone, 1981. P. 238—246.

Zwaal R. F. A. Membrane and lipid involvement in blood coagulation // Biochim. biophys. acta. 1978. Vol. 515. P. 163—205.

Content

Александр Михайлович Уголев
ЕСТЕСТВЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ БИОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ

ПРЕДИСЛОВИЕ

Глава 1. ЕСТЕСТВЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ — ТЕХНОЛОГИИ ЖИВЫХ СИСТЕМ

1.1. История физиологии, ее место среди других наук

1.2. О технологических подходах в современной физиологии

1.3. Сопоставление естественных и производственных технологий

1.4. Физиологическая эволюция

1.5. Экзотрофия как модель для анализа естественных технологий

Глава 2. ЭКЗОТРОФИЯ. МЕХАНИЗМЫ ПИЩЕВАРЕНИЯ

2.1. Деятельность пищеварительного аппарата

2.2. Общая характеристика пищеварительных ферментов

2.3. Основные типы пищеварения

2.4. Схема переваривания пищи как сочетание трех основных типов пищеварения

2.5. Специализированные механизмы пищеварения

Глава 3. ЭКЗОТРОФИЯ. НОВАЯ ТЕОРИЯ АДЕКВАТНОГО ПИТАНИЯ

3.1. Античная и классическая теории питания

3.2. Теория адекватного питания

3.3. Теории питания и некоторые конкретные проблемы

3.4. Теория адекватного питания как составная часть трофологии

3.5. Биосфера как трофосфера

3.6. Типы питания. Классическая и новая (естественная) классификация трофических механизмов в мире живых существ

Глава 4. ЭВОЛЮЦИЯ ЕСТЕСТВЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ НА ПРИМЕРЕ ЭКЗОТРОФИИ

4.1. Классические теории эволюций пищеварения

4.2. Распространение основных типов пищеварения

4.3. Примеры деятельности пищеварительной системы у животных, стоящих на разных ступенях эволюции

4.4. Эволюция пищеварительных функций

4.5. Теории происхождения внешнейи внутренней секреции

4.6. Происхождение пищеварения

4.7. Принцип эффективности как основа естественных технологий

Глава 5. УНИВЕРСАЛЬНЫЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ БЛОКИ КАК ОСНОВА ОРГАНИЗАЦИИ СЛОЖНЫХ ФУНКЦИЙ

5.1. Концепция универсальных функциональных блоков. Общие положения

5.2. Кишечная клетка

5.3. Транспортные системы клеток. Насосы

5.4. Транспортные системы клеток. Транспортеры

5.5. Регуляторные блоки

5.6. Концепция универсальных функциональных блоков и кишечная гормональная система

5.7. Экзоцитоз и эндоцитоз

Глава 6. УНИВЕРСАЛЬНЫЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ БЛОКИ. ЭВОЛЮЦИОННЫЕ И БИОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ

6.1. Основные принципы эволюции в свете концепции универсальных функциональных блоков

6.2. Формирование универсальных функциональных блоков в филогенезе и механизмы их консервации

6.3. Функциональные блоки и механизмы эволюции

6.4. Концепция универсальных функциональных блоков и экология

6.5. Популяционная физиология

Глава 7 НЕКОТОРЫЕ СЛЕДСТВИЯ КОНЦЕПЦИИ УНИВЕРСАЛЬНЫХ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ БЛОКОВ

7.1. «Синдром общих блоков»

7.2. О полезных и побочных эффектах лекарственных веществ

7.3. Другие проблемы медицины

7.4. Адаптационно-компенсаторные реакция на уровне функциональных блоков

7.5. Побочные эффекты и организация экосистем

Глава 8. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ЕСТЕСТВЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

Глава 9. ЕСТЕСТВЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ. ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНЫЕ ЗАМЕЧАНИЯ

ВМЕСТО ПОСЛЕСЛОВИЯ (ответы на возникающие вопросы)

ОСНОВНАЯ ЛИТЕРАТУРА