Текст книги "Естественные технологии биологических систем"

Автор книги: Александр Уголев

сообщить о нарушении

Текущая страница: 9 (всего у книги 22 страниц)

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-Iсоединяется с везикулами и затем конденсируется, образуя пищеварительную вакуоль ПВ-II свысокой кислотностью. Вакуоль ПВ-IIсливается 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.