Александр Уголев - Естественные технологии биологических систем
Я полагаю, что будущая теория эволюции будет основываться не только на популяционной генетике и теории естественного отбора, но и на понимании функциональных характеристик организмов и популяций. В то же время в физиологии до сих пор не были использованы представления о популяционных механизмах. Вероятно, это связано с тем, что физиология является организменной наукой. Между тем если проанализировать некоторые закономерности популяционной генетики, то оказывается, что они применимы к физиологии вообще и, что очень важно, к физиологии функциональных блоков. Причем такой подход весьма плодотворен.
Обязательным условием развития эволюционной физиологии является формирование физиологической генетики популяций, или популяционной физиологии, — науки, которую иногда ошибочно понимают как физиологию популяций. Если речь идет о свойствах больших или малых групп животных, о взаимоотношениях членов популяций, то я полагаю, что этот раздел физиологии должен быть обозначен как физиология популяций. По существу она становится частью экологической физиологии. В отличие от этого вариабельность физиологических свойств у членов одной популяции или вида должна характеризоваться как популяционная физиология.
В основу популяционной физиологии следует положить хорошо обоснованные посылки, заключающиеся в том, что физиологические, биохимические и биофизические признаки подвержены широкой индивидуальной вариабельности. Такая вариабельность отчасти является фенотипической, отчасти генотипической. Если вариации функциональных признаков и в конечном итоге биологических эффектов обладают определенной селективной ценностью, то следует ожидать, что некая часть популяции получит преимущества и большие шансы на оставление потомства. Такими признаками могут быть эффективность усвоения различных пищевых веществ, скорость деградации белков, регуляция различных компонентов диуреза и т.д. Вариации могут касаться как исполнительных органов, так и управляющих ими систем. В качестве примера рассмотрим несколько признаков, функциональная ценность которых не вызывает сомнений.
При анализе гликемической кривой у человека после нагрузки глюкозой, отражающей повышение уровня глюкозы в крови в связи с ее всасыванием, а также нормализацию в результате действия механизмов гомеостатирования, обнаружена широкая вариабельность (рис. 42). Эта вариабельность касается как восходящей части кривой, зависящей от скорости всасывания глюкозы, так и нисходящей ее части, зависящей от скорости депонирования всосавшегося сахара. Подобная вариабельность относится к индивидуальным вариациям, вероятно не имеющим селективной ценности у человека. Однако у животных некоторые вариации уровня глюкозы в крови, возможно, могут служить признаком нарушения гомеостаза. В этом случае представители популяции, характеризующиеся чрезмерной гипергликемией, в ходе естественного отбора будут элиминироваться. Однако при переходе на преимущественно углеводную диету, состоящую из сахаров, их ускоренная ассимиляция может сопровождаться развитием диабетоидных явлений именно у этой части популяции.
В качестве примеров вариабельности характеристик желудочно-кишечного тракта можно привести различия в желудочной секреции на пищевые вещества у разных животных, в кислотности желудочного сока, в его протеодитической активности и т.д.
Рис. 42. Изменения уровня глюкозы в крови после пероральной нагрузки глюкозой на фоне относительного покоя пищеварительного аппарата (сплошная линия) и предварительной стимуляции мясным завтраком (пунктирная линия) у здоровых лиц.
По оси абсцисс — время (мин); по оси ординат — изменение уровня глюкозы (мг%) после глюкозной нагрузки по сравнению с исходным уровнем, принятым за 0.
На протяжении более 20 лет мы исследовали характеристики мембранного пищеварения и транспорта нутриентов у животных различных видов, в частности у нескольких линий крыс, у кроликов, морских свинок, собак, кошек и др. В пределах каждого вида и каждой линии, в особенности при сравнении различных линий, отмечены значительные вариации. Анализ накопленной информации показал, что варьируют такие характеристики, как скорость гидролиза мальтозы, сахарозы, крахмала, три- и дипептидов, всасывание продуктов гидролиза этих субстратов, а также всасывание глюкозы, фруктозы, аминокислот и т.д., т.е. фундаментальные процессы, реализуемые механизмами, сформированными еще на заре жизни. Вариабельность может быть индуцирована гормонами, типом питания, перераспределением функциональных свойств вдоль тонкой кишки, возрастом, температурой окружающей среды, стрессорными и другими экстремальными воздействиями. Варьирование распределения ферментных и транспортных систем вдоль тонкой кишки служит примером вариабельности функциональных активностей в пределах органа. Эти вариации существенно влияют на переваривание и всасывание пищевых веществ вдоль тонкой кишки.
В то же время вариабельность резко уменьшается или исчезает при изучении систем на молекулярном уровне. Действительно, в подавляющем большинстве случаев кипетические характеристики ферментных и транспортных систем (Км, Kt, Vмакс, Jмакс) остаются неизменными. Следовательно, физиологические особенности скорее обусловлены пространственными и временными сочетаниями функциональных блоков, чем молекулярными структурами. Если это так, то становится попятным, что при естественном отборе скорее будут отбираться новые сочетания стандартных функциональных блоков, а не сами блоки. Таким образом, свойства молекулярных машин значительно более стабильны, чем распределение этих свойств, например вдоль тонкой кишки. В этом смысле изучение прокси-модистальных градиентов особенно показательно.
Существует обширная литература, свидетельствующая, что расщепление различных пищевых веществ и их последующее всасывание происходят вдоль тонкой кишки неравномерно. В частности, активность сахаразы, максимальная в средних отделах кишки, снижается в проксимальном и особенно дистальном направлениях. Такой градиент больше выражен у белых крыс и слабее, например, у кроликов. Другие ферменты имеют иную топографию. Следует обратить внимание, что уровень ферментативных активностей во всех отделах тонкой кишки подвержен более или менее выраженным вариациям. Эти вариации, как показано в нашей лаборатории, в определенной мере зависят от возрастных, сезонных и других особенностей, от функционального состояния организма и т.д. (рис. 43). В тоже время многие вариации иптерпретируются как индивидуальные. Их амплитуда минимальна у линейных крыс и максимальна у беспородных белых крыс. Крысы быстро занимают промежуточное положение. Так как распределение ферментативных и транспортных функций вдоль тонкой кишки имеет приспособительный характер, то при естественном отборе, связанном с эффективностью питания, определенные вариации проксимо-дистального градиента могут оказаться доминирующими. В то же время другие будут элиминированы. Таким образом, вариабельность проксимодистальных градиентов в этом случае служит материалом для естественного отбора.
Рис. 43. Распределение-сахаразной активности вдоль тонкой кишки крыс различных возрастных групп.
По оси абсцисс — длина тонкой кишки (см); по оси ординат — активность сахаразы (% гидролизованного субстрата за время инкубации, за 100 принята максимальная сахаразная активность в каждой возрастной группе животных). 1 — 20, 2 — 24, 3 — 27, 4 — 60 суток постнатального развития животных.
Наконец, еще одним примером вариабельности может служить репрессия лактазы. Как упоминалось выше, при переходе от молочного к дефинитивному питанию у многих млекопитающих наблюдается резкая, а иногда и полная репрессия лактазы. У некоторых животных наблюдается практически полная репрессия этого фермента, у других она составляет 60—90%. Репрессия лактазы варьировала в широких пределах и в наших экспериментах на крысах. По всей вероятности, при некоторых условиях недостаточная репрессия лактазы превращается в полезный признак. Это может наблюдаться в том случае, когда молочный сахар в составе молока становится важным пищевым продуктом для взрослого организма. Тогда преимущества получает та часть популяции, у которой репрессия фермента выражена слабо. Возможно, именно таков механизм ослабления репрессии у тех человеческих популяций, в ранней истории которых существовала развитая молочная культура.
Итак, благодаря неоднородности популяции при изменении условий одна ее часть получает преимущества, тогда как другая становится объектом элиминации. Весьма существенно, что варьирование физиологического признака в популяции служит основой для микроэволюции вида и, возможно, для макроэволюции.
