Текст книги "Естественные технологии биологических систем"

Автор книги: Александр Уголев

сообщить о нарушении

Текущая страница: 7 (всего у книги 22 страниц)

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.