Единая цепь жизни или первые координаты новой науки трофологии
Статья написана Павлом Чайкой, главным редактором журнала «Познавайка». С 2013 года, с момента основания журнала Павел Чайка посвятил себя популяризации науки в Украине и мире. Основная цель, как журнала, так и этой статьи – объяснить сложные научные темы простым и доступным языком
Как поглощается и усваивается пища, как распределяются пищевые вещества в клетке или в организме, каким образом передаются они вдоль пищевых цепей, каковы взаимоотношения пищевых связей в биоценозах, какую роль играют трофические процессы циркуляции веществ в биосфере, в эволюции видов, биоценозов, биосферы? — эти актуальнейшее, проблемы были поделены между разными областями знания — наукой о питании, существующей со времен Гиппократа и ориентированной в основном лишь на проблемы, связанные со здоровьем человека, химией, сельским хозяйством, экологией, гастроэнтерологией, иммунологией и другими, а вернее сказать, почти всеми биологическими и медицинскими науками.
И это казалось естественным. Судите сами, ну разве не фантастична разница между процессами, что протекают в отдельно взятой живой клетке и, скажем, во всей биосфере нашей планеты в целом! Казалось бы, ничего общего! И все же, как ни странно, в этих явлениях открылось нечто универсальное.
Например, как стало известно совсем недавно, все разнообразие процессов пищеварения сводится в сущности к трем основным типам: внеклеточному, мембранному и внутриклеточному. Более того, они поразительно сходны у всех живых организмов — от бактерий до млекопитающих. Изучением закономерностей поглощения и усвоения тех веществ, без которых жизнь на Земле была бы вообще невозможной, причем, что особенно важно, на всех уровнях без исключения, и призвана заниматься трофология.
Это не следует рассматривать как попытку механически объединить разнородные явления. Они на самом деле образуют единую, хотя и многоступенчатую систему, о чем свидетельствуют результаты длительных наблюдений. На одном полюсе этой системы — трофика клетки как необходимое условие жизни, на другом — кругооборот веществ и энергии в земной биосфере. 230 миллиардов тонн органического вещества ежегодно образуется на нашей планете. Образуется, чтобы вновь разрушиться, послужив пищей всем живущим на Земле. И жизнь каждого организма, равно как и поддержание ее, в масштабе всей планеты во многом зависит от равновесия между синтезом и распадом пищевых веществ. В этом смысле биосферу можно воспринимать как трофосферу, поскольку на всех уровнях организации живых существ, неважно колония ли это бактерий, невидимых глазу, или стадо коров, начальное звено жизненного цикла одно и то же — поглощение и усвоение пищи.
То есть все организмы — звенья планетарной пищевой цепи, вернее, «пищевой иерархии», образующей замкнутый круг. Узкий профессионализм как бы разорвал трофическую цепь: каждое ее звено изучалось отдельно. Ничего удивительного, что результаты, полученные в одной области знаний, подчас никак не использовались в другой. Если к тому же учесть, что у каждой науки, как известно, свой, особый язык,— к примеру, математический аппарат или химические формулы,— то станет ясно, что об общей договоренности приходилось только мечтать.
Трофологии предстоит связать воедино разрозненные звенья этой цепи. Разумеется, она не отказалась от уже разработанных до нее методов — математических, физических, химических, биологических. Однако по примеру экологии предложила и свои собственные, присущие только ей. Если экология, скажем, сопоставляет свойства данного организма или популяции с окружающей их средой, то трофология прослеживает, как свойства пищевых веществ или процессов сказываются на энергетическом или пластическом обмене клетки, организма, вида и т. д.
Единый взгляд на трофологический процесс заставил совершенно по-новому подойти к оценке пищи. Девиз классической науки о питании краток и афористичен: организму нужно столько пищи, сколько он ее расходует. Причем не пиши вообще, а лишь тех полезных пищевых веществ, так называемых нутриентов, что усваиваются организмом,— аминокислот, моносахаридов, жирных кислот, витаминов да еще некоторых солей. Они и только они определяют, сколько оптимально протекает в организме обмен веществ. Все остальное, что содержат продукты питания,— бесполезный, а потому ненужный балласт, осложняющий лишь деятельность организмов. Это — основное следствие классического постулата о пище.
А так как разделение пищи на нутриенты и балласт происходит в пищеварительной системе — нутриенты расщепляются и всасываются, балласт, который иногда еще называют шлаками, выбрасывается из организма,— то закономерны следующие выводы. Во-первых, дабы не перегружать организм и не затруднять его излишней работой, в принципе хорошо бы избавляться от балласта заранее, строго и неукоснительно исключая бесполезные вещества из всех на свете меню. Во-вторых, раз обмен веществ зависит исключительно от нутриентов, а их молекулярный состав полностью соответствует потоку, всасывающемуся в кровь из желудочно-кишечного тракта, то пища вообще, как таковая, в принципе и не нужна: коль скоро организм усваивает, скажем, белки в виде продуктов их расщепления — аминокислот, стало быть, белками в целом можно пренебречь, заменив их искусственно полученными аминокислотами. И как естественное заключение: задачей науки о питании является разработка так называемых элементальных диет — таких пищевых составов, которые бы обеспечивали организм только необходимым.
Этот вывод казался настолько естественным, что не в одном футурологическом построении рисовалась красочная картина о том времени, когда благодаря химическим технологиям и компьютерам ученые смогут с абсолютной точностью контролировать молекулярный состав пищи. Да что там контролировать! Менять в зависимости от возраста человека, состояния здоровья, выполняемой им работы и климата, в котором он живет! То есть о том времени, когда пища станет, наконец, поистине идеальной, превратившись в некий порошок, получаемый с помощью новейших достижений химии. Да и потребление этой «пищи», вероятно, изменится — ну пристало ли человеку будущего питаться подобно его далекому предку, одетому в звериную шкуру и с дубинкой в руке! Почему бы не вводить питательные вещества прямо в кровь, минуя желудок и кишечник?
Так, теоретические построения об идеальной пище приводили к неизбежному заключению — органы пищеварения как реликт нашего животного прошлого в процессе «рукотворной» эволюции отомрут, знаменуя становление идеального «по конструкции» человека. Идея эта принадлежит еще началу XX века — французский химик Пьер Эжен Марселе Бертло сформулировал ее как одну из главных задач прошлого столетия.
А теперь взглянем на эту идею глазами трофологов. Что думают они об идеальной пище? Оказывается, дело ней обстоит не так-то просто. Прежде всего следует учитывать, что в процессе эволюции человек сумел приспособиться ко многим природным, отнюдь не очищенным от балластных веществ продуктам. Более того, помимо основного потока нутриентов, о котором мы уже упоминали, во внутреннюю среду организма поступают еще четыре потока, значение которых до сих пор недооценивалось. Прежде всего, это физиологически активные вещества — гормоны и медиаторы, образующиеся в желудке и кишечнике. Что желудочно-кишечный тракт богат различными эндокринными клетками, было известно давно, так же как и то, что они рассеяны среди мириадов других клеток.
Однако не так давно известный американский физиолог Мортон Гроссман и крупнейший английский гистохимик З. Пирс высказали гипотезу: если собрать эти клетки, то получится самая большая эндокринная железа в организме человека и высших животных. Не будь продуцируемых ею гормонов — именно на них возложена ответственная роль контроля за важнейшими функциями обмена веществ,— организм не смог бы полноценно усваивать те нутриенты, что поступают извне. Причем замечено: стоит отключить гормональные функции желудочно-кишечного тракта хотя бы частично, как это приводит к тяжелым недугам, а иногда и к гибели, но отнюдь не к исчезновению желудка и кишечника, как утверждал Бертло. Выходит, физическое благополучие обеспечивается лишь сочетанием нутритивного потока, поступающего извне, с нашими внутренними резервами.
Три других потока формируются тоже в желудочно-кишечном тракте, но на этот раз при участии бактериальной флоры: есть среди них и полезные вещества, и будто бы нейтральные, и, наконец, просто токсические. Еще не так давно казалось, что кишечную флору нужно во что бы то ни стало подавлять — нельзя же спокойно относиться к отравлению организма токсическими веществами! Действительно, они способны причинить немалый вред. Однако, добавляют трофологи, при одном условии — если их поток превышает определенные границы. К счастью, такие случаи — лишь редкие исключения из правила, гласящего: бактериальная флора — необходимый атрибут существования сложных организмов. Так, например, эксперименты со стерильными животными, проводившиеся группой исследователей, показали: иммунитет к различным заболеваниям у таких животных слабее, а если рацион их к тому же страдает недостатком витаминов и незаменимых аминокислот, то реагируют они на такой дефицит гораздо острее.
Итак, подчеркиваем: только пропорциональное соотношение всех четырех потоков создает нормальную внутреннюю экологию организма.
В настоящее время есть все основания считать, что так называемые балластные вещества, которые до сих пор предлагали удалять из пищи, дабы сделать ее идеальной, в сущности никакой не балласт. Стоит изъять из рациона, скажем, пищевые волокна — целлюлозу или лигнин, как это неизбежно скажется на состоянии здоровья — нарушится обмен холестерина, могут появиться камни в желчном пузыре, возникнуть заболевания желудка и кишечника. И наоборот, включение в рацион пищевых волокон не только предупреждает, но даже лечит эти недуги. Правда, здесь следует оговориться: при некоторых дефектах ферментных систем именно безбалластные, элементальные диеты приходят на выручку — когда приходится исключать из пищи те типы молекул, например лактозы или триптофана, обмен которых в организме нарушен.
Как видите, трофология сегодня готова дать ответ, хотя, разумеется, и не окончательный, на испокон веков волнующий людей вопрос: какой же должна быть наша пища?
Какова же система трофологических механизмов в мире живых существ? На одном полюсе ее — абиотрофы, то есть организмы, питающиеся неорганическими веществами, на другом — полные биотрофы, например эмбрионы или паразиты. Вся шкала между этими двумя группами занята организмами с возрастающей долей биотрофии как внешней, так и внутренней. Я имею в виду экзотрофию, то есть поглощение пищи из окружающей среды, и эндотрофию — использование внутренних резервов организма. Кстати, трофологи доказали: экзотрофия и эндотрофия — процессы родственные по механизмам, а не противоположные, как считали ранее. Вот почему, видимо, микроворсинки кишечника, обеспечивающего питание организма нутриентами из окружающей среды, так напоминают микроворсинки плаценты, которая питает зародыш за счет матери. Так же сходны, как я уже говорила, и все типы пищеварения у различных живых существ, сформировавшиеся в процессе эволюции.
И здесь возникает вопрос фундаментальной важности: какие же общебиологические причины заставили природу «сконструировать» для всего живого единый трофологический механизм? По-видимому, именно благодаря ему живые существа приспосабливаются к изменению места в трофологической цепи: растительноядные могут превратиться в хищников или в паразитов, хищники же, в свою очередь, становятся сапрофитами и т. д. И в основе такой «пластичности» — единый по своей сути механизм, присущий всем способам питания.
То, что от наличия пищи зависят структура, численность и деятельность любого сообщества живых организмов, заметили еще экологи. Парадоксально другое положение трофологии: любой вид приспосабливается не только к определенному источнику питания, но и к тому, чтобы самому выступать в этой печальной роли. Приспосабливается к тому, чтобы быть «съедобным» для другого вида! Позвольте, но ведь это противоречит действительности! Разве не вырабатывают некоторые рыбы или насекомые специальные способы защиты от потенциального врага — яды, отпугивающие феромоны и прочие многочисленные средства обороны?
Но противоречия здесь нет. Действительно, животные пока не отказываются при нападении на них от борьбы и защиты, однако защита эта относительная. Во всяком случае, исследования, проведенные трофологами, привели к неожиданному выводу: именно доступность и «съедобность», а отнюдь не противоборство — залог процветания вида. Разумеется, если эти качества не переходят определенных границ: жертва не должна слишком быстро убегать от хищника, а тот не должен чрезмерно легко поглощать жертву. Пока трофологические партнеры строго соблюдают взаимную «договоренность», все благополучно — хищники питаются преимущественно больными или стареющими членами популяции, а численность ее как источника питания поддерживается на определенном уровне. Будь жертва более совершенной, хищник погиб бы от голода. Но одновременно от этого проиграла бы и популяция жертвы, потерявшая контроль со стороны хищника. Вывод этот не раз подтверждался в экспериментах. Впрочем, можно ли называть так те необдуманные, скоропалительные решения, в результате которых в одном регионе полностью уничтожали, а в другом искусственно увеличивали поголовье хищников?
И еще одну удивительную форму адаптации обнаружили трофологи. Есть во взаимоотношениях удава и его жертвы один загадочный момент. Скажите, вы никогда не задумывались, как удается удаву переварить целиком проглоченное животное, ведь поверхность соприкасания его с ферментами желудка удава сравнительно мала.
Систематические исследования показали: прежде чем в дело вступают желудочные ферменты удава, происходит разложение жертвы под действием бактерий ее собственного желудочно-кишечного тракта. Объект питания сам себя переваривает! Вот на какие ухищрения пришлось пуститься эволюции — я, конечно, говорю только о трофологическом взгляде на это явление,— чтобы данный вид животных мог занять свою трофологическую нишу в цепи последовательных партнеров.
Что же могут нам дать изучение и анализ пищевых связей? Прежде всего, конечно, это позволит сохранять сами пищевые связи, а, следовательно, в конечном итоге — и всю окружающую среду, основу которой составляет экологическое равновесие. Там же, где эти связи уже нарушены, можно будет со временем научиться восстанавливать их, пополняя недостающие звенья системы.
Вы понимаете, что в одной не такой уж большой статье трудно охарактеризовать новую науку во всех ее аспектах, показать весь круг проблем, рассказать обо всех достижениях. Но хочется надеяться, что даже немногочисленные примеры сумели все же убедить вас: от трофологического подхода заметно выиграют и растениеводство, и животноводство, и многие другие отрасли хозяйства. Уже сейчас, едва родившись, трофология готова высказаться по таким проблемам, как свойства гербицидов, пестицидов, инсектицидов, нормирование искусственных удобрений, подбор различных типов сельскохозяйственных растений. Словом, практические аспекты трофологии выходят далеко за пределы научной основы индивидуального питания и превращаются в основу промышленного и аграрного производства пищевых продуктов.
А ведь ни для кого не секрет, что сегодня четверть современного человечества страдает от голода, особенно белкового. Если же учесть, что численность населения на нашей планете растет, что называется, не по дням, а по часам, то станет очевидно — без поисков новых источников пищи, без новых промышленных технологий для ее получения, без разработок правил и режимов рационального питания человечеству уже никак не обойтись.
Автор: Н. Федотова.