Александр Уголев - Естественные технологии биологических систем

Идентичность или близость первичных структур в одноименных функциональных блоках исключает конвергенцию как механизм сближения функциональных свойств. Имеющаяся информация говорит, что главный путь эволюции — это комбинаторика. В ходе эволюции на основе некоторого набора функциональных блоков, сформировавшихся на начальных этапах эволюции, возникали новые, иногда принципиально новые системы. Это не означает, что функциональные блоки не менялись. Тем не менее основной путь формирования сложных функциональных комплексов на уровне клеток, тканей, органов и систем происходил в результате комбинации функциональных блоков в комплексы первого, второго, третьего и более высоких порядков. Рекомбинация функциональных блоков всегда достигается изменением набора блоков, их соотношении, взаимодействий в пространстве и времени и т.д. Именно так происходит превращение секреторной клетки во всасывающую, т.е. клетки, обеспечивающей сохранение воды, в клетку, обеспечивающую сохранение солей.

Общность на уровне элементарных функций и функциональных блоков является продолжением той общности, которая ранее была обнаружена на уровнях атомного состава и простых органических молекул, служащих строительными блоками. Такое единство — предпосылка для взаимодействия отдельных компонентов экосистемы и биосферы. Суть и причина единства заключаются в том, что для циркуляции веществ и жизни на планетарном уровне необходимы трофические цепи. Для формирования трофических круговоротов и трофических цепей обязательно единство элементарной структуры. Однако для жизни необходимо, чтобы макроструктура была бы также близкой или идентичной, так как усвоение пищи предполагает, что гидролизуемые связи во всех случаях одинаковы.

Возникает вопрос, не противоречит ли концепция функциональных блоков представлениям об эволюции на молекулярном и близком к нему уровнях? Однако в этой связи следует отметить, что возможность рекомбинаций функциональных блоков можно справедливо рассматривать как эволюционный процесс, поразительный по богатству своих возможностей. Примером этому служит эволюция генетического аппарата и других информационных систем, где рекомбинация становится основным механизмом. В ряде случаев идея о существовании универсальных функциональных блоков не только не отвергает их изменений, но и постулирует ускоренную эволюцию. Эта же идея позволяет понять случаи поразительного консерватизма некоторых молекул или их частей на протяжении огромных отрезков времени. Наконец, единство функциональных блоков реализуется на уровне экосистем. Если бы не существовало подобного единства, то члены одного и того же сообщества были бы разобщены, а существование сообщества было бы невозможно.

Сравнительная физиология свидетельствует, что общность функциональных блоков не только обеспечивает трофические взаимодействия, но и превращает сообщества организмов в единые взаимодействующие системы. Вместе с тем такая общность служит причиной, из-за которой человек становится особенно опасным противником природы. Полагая, что выработанное им ядовитое вещество действует лишь на растения или животные одного вида, человек часто оказывает огромный вредный эффект на растения или животные многих других видов, нанося неисчислимый экологический ущерб. Следовательно, концепция универсальных функциональных блоков позволяет понять особенности современного мира и природы, а также взаимоотношения человека и природы.

Наконец, становится ясно, что физиология должна перейти к изучению более высоких иерархических уровней, чем организм, т.е. к популяционному, экосистемному и биосферному. В конечном итоге будут сформированы две области физиологии: 1) физиология популяций, которая должна стать важной частью экологической физиологии; 2) популяционная физиология, рассматривающая варьирование физиологических признаков и свойств популяциониого генофонда и фонда функциональных блоков, а также их изменения под влиянием различных эволюционных факторов.

Каждый функциональный блок (или ограниченное число блоков, так называемые изоблоки), реализующий определенную элементарную функцию, универсален в том смысле, что выполняет соответствующую функцию в клетках животных, растений, грибов, простейших, а в некоторых случаях даже у прокариотов. Точно так же одни и те же функциональные блоки осуществляют одни и те же функции в разных органах и разных клетках независимо от их функциональной специализации. Специализация и специфичность достигаются в результате специфических сочетаний или специфического расположения функциональных блоков. Такое представление находится в противоречии с фундаментальными концепциями, положенными в основу ряда прикладных аспектов современной биологии и медицины, в частности в основу взглядов на действие лекарственных препаратов, токсических веществ, различных методов борьбы с паразитами и вредителями сельскохозяйственных культур и др. Попытаемся рассмотреть некоторые следствия, вытекающие из концепции функциональных блоков.

Концепция универсальных функциональных блоков вводит нас в новую область медицины, относящуюся к молекулярным заболеваниям. В настоящее время уже обнаружены заболевания, которые должны быть истолкованы с позиций этой концепции. Такие заболевания, по-видимому, могут возникать при нарушении различных блоков: ферментных, транспортных, регуляторных, сократительных и др. По-видимому, со временем будет обнаружено много различных форм патологии, где применение концепции универсальных функциональных блоков будет особенно плодотворно. Сейчас обратим внимание лишь на несколько заболеваний. Рассмотрим дефекты транспорта аминокислот. Оказалось, что это — системные заболевания, но дефектность транспорта аминокислот проявляется в тех случаях, когда дублирующие или вспомогательные механизмы (например, пассивный перенос) не могут компенсировать основного нарушения.

Генетические дефекты какого-либо транспортера в тонкой кишке не могут быть локальными, так как нарушение синтеза блока имеет место в клетках всех органов. Например, при болезни Хартнупа в тонкой кишке нарушается всасывание нейтральных аминокислот, что обнаруживается также в почечных канальцах и в других органах и тканях. При цистинурии наблюдаются комбинированные нарушения транспорта диаминомонокарбоновых кислот и цистина как в тонкой кишке, так и в почечных канальцах. Иминоглицинурия исследована недостаточно, однако все сходятся на том, что дефекты реабсорбции пролина, гидроксипролина и глицина в почечных канальцах сочетаются с дефектами всасывания этих трех аминокислот в топкой кишке. При синдроме Фанкони нарушается реабсорбция всех аминокислот из гломерулярного фильтрата почки, так же как и других компонентов первичной мочи, в частности глюкозы, фосфата и т.д. Поэтому картина, обнаруживаемая в данном случае, существенно отличается от той, которую мы приводили как характерную для блоковых синдромов. Так, в одних случаях нарушения транспортных процессов в почках вызываются известными токсинами, в других патогенный фактор остается неизвестным. Предполагается, что дефекты кишечного транспорта при синдроме Фанкони, по-видимому, происходят по другому типу, чем в почках, так как наблюдается лишь слабая корреляция между двумя такими симптомами. Дефекты транспорта в тонкой кишке были описаны под названием синдрома Лоува, который рассматривается как наследственный. Этот рецессивный синдром является одним из вариантов синдрома Фанкони. В дополнение к почечной недостаточности при синдроме Фанкони может иметь место умственная отсталость и дефекты зрительного анализатора (катаракта, глаукома и слепота). Высказывается гипотеза, что синдром Фанкони связан с общими нарушениями метаболизма в организме.