Естественные технологии биологических систем
Шрифт:
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
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.