Єдиний ланцюг життя або перші координати нової науки трофології
Стаття написана Павлом Чайкою, головним редактором журналу «Пізнавайка». З 2013 року з моменту заснування журналу Павло Чайка присвятив себе популяризації науки в Україні та світі. Основна мета як журналу, так і цієї статті – пояснити складні наукові теми простою та доступною мовою.
Як поглинається і засвоюється їжа, як розподіляються харчові речовини у клітині чи організмі, яким чином передаються вони вздовж харчових ланцюгів, які взаємини харчових зв’язків у біоценозах, яку роль грають трофічні процеси циркуляції речовин у біосфері, в еволюції видів, біоценозів, біосфери? — ці найактуальніші проблеми були поділені між різними областями знання — наукою про харчування, що існує з часів Гіппократа і орієнтованою в основному лише на проблеми, пов’язані зі здоров’ям людини, хімією, сільським господарством, екологією, гастроентерологією, імунологією та іншими, а точніше сказати, майже всіма біологічними та медичними науками.
І це здавалося природним. Судіть самі, ну хіба не фантастична різниця між процесами, що протікають в окремо взятій живій клітині і, скажімо, у всій біосфері нашої планети загалом! Здавалося б, нічого спільного! І все-таки, як не дивно, у цих явищах відкрилося щось універсальне.
Наприклад, як стало відомо зовсім недавно, все розмаїття процесів травлення зводиться по суті до трьох основних типів: позаклітинного, мембранного і внутрішньоклітинного. Більш того, вони разюче схожі у всіх живих організмів — від бактерій до ссавців. Вивченням закономірностей поглинання і засвоєння тих речовин, без яких життя на Землі було б взагалі неможливим, причому, що особливо важливо, на всіх рівнях без винятку, і покликана займатися трофологія.
Це не слід розглядати як спробу механічно об’єднати різнорідні явища. Вони насправді утворюють єдину, хоча і багатоступеневу систему, про що свідчать результати тривалих спостережень. На одному полюсі цієї системи – трофіка клітини як необхідна умова життя, на іншому — кругообіг речовин і енергії в земній біосфері. 230 мільярдів тонн органічної речовини щорічно утворюється на нашій планеті. Утворюється, щоб знову зруйнуватися, послуживши їжею всім, хто живе на Землі. І життя кожного організму, так само як і підтримання його, в масштабі всієї планети багато в чому залежить від рівноваги між синтезом і розпадом харчових речовин. У цьому сенсі біосферу можна сприймати як трофосферу, оскільки на всіх рівнях організації живих істот, неважливо колонія чи це бактерій, невидимих оку, або стадо корів, початкова ланка життєвого циклу одна і та ж — поглинання і засвоєння їжі.
Тобто всі організми – ланки планетарного харчового ланцюга, вірніше, «харчової ієрархії», що утворює замкнуте коло. Вузький професіоналізм як би розірвав трофічний ланцюг: кожна його ланка вивчалася окремо. Нічого дивного, що результати, отримані в одній галузі знань, часом ніяк не використовувалися в іншій. Якщо до того ж врахувати, що у кожної науки, як відомо, своя, особлива мова,— наприклад, математичний апарат або хімічні формули,— то стане ясно, що про загальну домовленість доводилося тільки мріяти.
Трофології належить зв’язати воєдино розрізнені ланки цього ланцюга. Зрозуміло, вона не відмовилася від вже розроблених до неї методів — математичних, фізичних, хімічних, біологічних. Однак за прикладом екології запропонувала і свої власні, властиві тільки їй. Якщо екологія, скажімо, зіставляє властивості даного організму або популяції з навколишнім їх середовищем, то трофологія простежує, як властивості харчових речовин або процесів позначаються на енергетичному або пластичному обміні клітини, організму, виду і т. д.
Єдиний погляд на трофологічний процес змусив абсолютно по-новому підійти до оцінки їжі. Девіз класичної науки про харчування короткий і афористичний: організму потрібно стільки їжі, скільки він її витрачає. Причому не їжі взагалі, а лише тих корисних харчових речовин, так званих нутрієнтів, що засвоюються організмом,— амінокислот, моносахаридів, жирних кислот, вітамінів та ще деяких солей. Вони і тільки вони визначають, скільки оптимально протікає в організмі обмін речовин. Все інше, що містять продукти харчування,— даремний, а тому непотрібний баласт, що ускладнює лише діяльність організмів. Це – основний наслідок класичного постулату про їжу.
А так як поділ їжі на нутрієнти і баласт відбувається в травній системі — нутрієнти розщеплюються і всмоктуються, баласт, який іноді ще називають шлаками, викидається з організму,— то закономірні наступні висновки. По-перше, щоб не перевантажувати організм і не ускладнювати його зайвою роботою, в принципі добре б позбавлятися від баласту заздалегідь, строго і неухильно виключаючи непотрібні речовини з усіх на світі меню. По-друге, раз обмін речовин залежить виключно від нутрієнтів, а їх молекулярний склад повністю відповідає потоку, всмоктується в кров з шлунково-кишкового тракту, то їжа взагалі, як така, в принципі і не потрібна: якщо організм засвоює, скажімо, білки у вигляді продуктів їх розщеплення — амінокислот, отже, білками в цілому можна знехтувати, замінивши їх штучно отриманими амінокислотами. І як природний висновок: завданням науки про харчування є розробка так званих елементальних дієт — таких харчових складів, які б забезпечували організм тільки необхідним.
Цей висновок здавався настільки природним, що не в одній футурологічній побудові малювалася барвиста картина про той час, коли завдяки хімічним технологіям і комп’ютерам вчені зможуть з абсолютною точністю контролювати молекулярний склад їжі. Та що там контролювати! Міняти в залежності від віку людини, стану здоров’я, виконуваної нею роботи і клімату, в якому вона живе! Тобто про той час, коли їжа стане, нарешті, воістину ідеальною, перетворившись в якийсь порошок, одержуваний за допомогою новітніх досягнень хімії. Та й споживання цієї “їжі”, ймовірно, зміниться — не пристало людині майбутнього харчуватися подібно його далекому предку, одягненому в звірину шкуру і з кийком в руці! Чому б не вводити поживні речовини безпосередньо в кров, минаючи шлунок і кишечник?
Так, теоретичні побудови про ідеальну їжу приводили до неминучого висновку — органи травлення як релікт нашого тваринного минулого в процесі «рукотворної» еволюції відімруть, знаменуючи становлення ідеальної «по конструкції» людини. Ідея ця належить ще початку XX століття – французький хімік П’єр Ежен Марселе Бертло сформулював її як одне з головних завдань минулого століття.
А тепер поглянемо на цю ідею очима трофологів. Що думають вони про ідеальну їжу? Виявляється, справа в ній йде не так-то просто. Перш за все слід враховувати, що в процесі еволюції людина зуміла пристосуватися до багатьох природних, аж ніяк не очищених від баластних речовин продуктів. Більш того, крім основного потоку нутрієнтів, про який ми вже згадували, у внутрішнє середовище організму надходять ще чотири потоки, значення яких досі недооцінювалося. Перш за все, це фізіологічно активні речовини — гормони і медіатори, що утворюються в шлунку і кишечнику. Що шлунково-кишковий тракт багатий різними ендокринними клітинами, було відомо давно, так само як і те, що вони розсіяні серед міріадів інших клітин.
Однак не так давно відомий американський фізіолог Мортон Гроссман і найбільший англійський гістохімік З. Пірс висловили гіпотезу: якщо зібрати ці клітини, то вийде найбільша ендокринна залоза в організмі людини і вищих тварин. Не буде продукованих нею гормонів — саме на них покладена відповідальна роль контролю за найважливішими функціями обміну речовин, — організм не зміг би повноцінно засвоювати ті нутрієнти, що надходять ззовні. Причому помічено: варто відключити гормональні функції шлунково-кишкового тракту хоча б частково, як це призводить до важких недуг, а іноді і до загибелі, але аж ніяк не до зникнення шлунка і кишечника, як стверджував Бертло. Виходить, фізичне благополуччя забезпечується лише поєднанням нутритивного потоку, що надходить ззовні, з нашими внутрішніми резервами.
Три інших потоки формуються теж в шлунково-кишковому тракті, але на цей раз за участю бактеріальної флори: є серед них і корисні речовини, і нібито нейтральні, і, нарешті, просто токсичні. Ще не так давно здавалося, що кишкову флору потрібно будь-що-будь пригнічувати – не можна ж спокійно ставитися до отруєння організму токсичними речовинами! Дійсно, вони здатні заподіяти чималу шкоду. Однак, додають трофологи, за однієї умови — якщо їх потік перевищує певні межі. На щастя, такі випадки – лише рідкісні винятки з правила, яке говорить: бактеріальна флора – необхідний атрибут існування складних організмів. Так, наприклад, експерименти зі стерильними тваринами, що проводилися групою дослідників, показали: імунітет до різних захворювань у таких тварин слабкіше, а якщо раціон їх до того ж страждає нестачею вітамінів і незамінних амінокислот, то реагують вони на такий дефіцит набагато гостріше.
Отже, підкреслюємо: тільки пропорційне співвідношення всіх чотирьох потоків створює нормальну внутрішню екологію організму.
В даний час є всі підстави вважати, що так звані баластні речовини, які до сих пір пропонували видаляти з їжі, щоб зробити її ідеальною, по суті ніякий не баласт. Варто вилучити з раціону, скажімо, харчові волокна — целюлозу або лігнін, як це неминуче позначиться на стані здоров’я — порушиться обмін холестерину, можуть з’явитися камені в жовчному міхурі, виникнути захворювання шлунка і кишечника. І навпаки, включення в раціон харчових волокон не тільки попереджає, але навіть лікує ці недуги. Правда, тут слід обмовитися: при деяких дефектах ферментних систем саме безбаластні, елементальні дієти приходять на виручку — коли доводиться виключати з їжі ті типи молекул, наприклад лактози або триптофану, обмін яких в організмі порушений.
Як бачите, трофологія сьогодні готова дати відповідь, хоча, зрозуміло, і не остаточну, на споконвіку хвилююче людей питання: якою ж повинна бути наша їжа?
Яка ж система трофологічних механізмів у світі живих істот? На одному полюсі її — абіотрофи, тобто організми, що харчуються неорганічними речовинами, на іншому — повні біотрофи, наприклад ембріони або паразити. Вся шкала між цими двома групами зайнята організмами зі зростаючою часткою біотрофії як зовнішньої, так і внутрішньої. Я маю на увазі екзотрофію, тобто поглинання їжі з навколишнього середовища, і ендотрофію — використання внутрішніх резервів організму. До речі, трофологи довели: екзотрофія і ендотрофія — процеси споріднені за механізмами, а не протилежні, як вважали раніше. Ось чому, мабуть, мікроворсинки кишечника, що забезпечує харчування організму нутрієнтами з навколишнього середовища, так нагадують мікроворсинки плаценти, яка живить зародок за рахунок матері. Так само подібні, як я вже говорила, і всі типи травлення у різних живих істот, що сформувалися в процесі еволюції.
І тут виникає питання фундаментальної важливості: які ж загально біологічні причини змусили природу “сконструювати” для всього живого єдиний трофологічний механізм? Мабуть, саме завдяки йому живі істоти пристосовуються до зміни місця в трофологічному ланцюгу: рослиноїдні можуть перетворитися в хижаків або в паразитів, хижаки ж, в свою чергу, стають сапрофітами і т. д. і в основі такої «пластичності» — єдиний за своєю суттю механізм, властивий всім способам харчування.
Те, що від наявності їжі залежать структура, чисельність і діяльність будь-якого співтовариства живих організмів, помітили ще екологи. Парадоксально інше положення трофології: будь-який вид пристосовується не тільки до певного джерела живлення, але і до того, щоб самому виступати в цій сумній ролі. Пристосовується до того, щоб бути “їстівним” для іншого виду! Дозвольте, але ж це суперечить дійсності! Хіба не виробляють деякі риби або комахи спеціальні способи захисту від потенційного ворога – отрути, що відлякують, феромони та інші численні засоби оборони?
Але протиріччя тут немає. Дійсно, тварини поки не відмовляються при нападі на них від боротьби і захисту, проте захист цей відносний. У всякому разі, дослідження, проведені трофологами, привели до несподіваного висновку: саме доступність і «їстівність», а аж ніяк не протиборство — запорука процвітання виду. Зрозуміло, якщо ці якості не переходять певних меж: жертва не повинна занадто швидко тікати від хижака, а той не повинен надмірно легко поглинати жертву. Поки трофологічні партнери строго дотримуються взаємної «домовленості», все благополучно — хижаки харчуються переважно хворими або старіючими членами популяції, а чисельність її як джерела живлення підтримується на певному рівні. Будь жертва більш досконалою, хижак загинув би від голоду. Але одночасно від цього програла б і популяція жертви, яка втратила контроль з боку хижака. Висновок цей не раз підтверджувався в експериментах. Втім, чи можна називати так ті необдумані, поспішні рішення, в результаті яких в одному регіоні повністю знищували, а в іншому штучно збільшували поголів’я хижаків?
І ще одну дивовижну форму адаптації виявили трофологи. Є у взаєминах удава і його жертви один загадковий момент. Скажіть, ви ніколи не замислювалися, як вдається удаву переварити цілком проковтнуту тварину, адже поверхня дотику її з ферментами шлунка удава порівняно мала.
Систематичні дослідження показали: перш ніж в справу вступають шлункові ферменти удава, відбувається розкладання жертви під дією бактерій її власного шлунково-кишкового тракту. Об’єкт харчування сам себе перетравлює! Ось на які хитрощі довелося пуститися еволюції — я, звичайно, говорю тільки про трофологічний погляд на це явище,— щоб даний вид тварин міг зайняти свою трофологічну нішу в ланцюзі послідовних партнерів.
Що ж можуть нам дати вивчення і аналіз харчових зв’язків? Перш за все, звичайно, це дозволить зберігати самі харчові зв’язки, а, отже, в кінцевому підсумку — і все навколишнє середовище, основу якого становить екологічна рівновага. Там же, де ці зв’язки вже порушені, можна буде з часом навчитися відновлювати їх, поповнюючи відсутні ланки системи.
Ви розумієте, що в одній не такій вже великій статті важко охарактеризувати нову науку у всіх її аспектах, показати все коло проблем, розповісти про всі досягнення. Але хочеться сподіватися, що навіть нечисленні приклади зуміли все ж переконати вас: від трофологічного підходу помітно виграють і рослинництво, і тваринництво, і багато інших галузей господарства. Вже зараз, ледь народившись, трофологія готова висловитися з таких проблем, як властивості гербіцидів, пестицидів, інсектицидів, нормування штучних добрив, підбір різних типів сільськогосподарських рослин. Словом, практичні аспекти трофології виходять далеко за межі наукової основи індивідуального харчування і перетворюються в основу промислового та аграрного виробництва харчових продуктів.
Але ж ні для кого не секрет, що сьогодні чверть сучасного людства страждає від голоду, особливо білкового. Якщо ж врахувати, що чисельність населення на нашій планеті зростає, що називається, не по днях, а по годинах, то стане очевидно — без пошуків нових джерел їжі, без нових промислових технологій для її отримання, без розробок правил і режимів раціонального харчування людству вже ніяк не обійтися.
Автор: Н. Федотова.