Естественные технологии биологических систем
Шрифт:
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
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.
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.