Александр Уголев - Естественные технологии биологических систем

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).

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».

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).