Александр Уголев - Естественные технологии биологических систем
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.
Взаимоотношения микро- и макроэволюции. Длительное время в качестве одного из важнейших механизмов эволюции рассматривался механизм преадаптации, т.е. приспособления, которое возникает ранее, чем появляются условия, делающие это приспособление полезным признаком. С точки зрения физиологии преадаптация — это побочный эффект некоторой сложной функции и осуществляется одним из существующих функциональных блоков. На основе концепции универсальных функциональных блоков можно объяс-нить происхождение ряда функций, которые казались трудно объяснимыми или необъяснимыми.
Прогрессивная эволюция, в том числе макро- и мегаэволюция, может быть интерпретирована как результат формирования новых систем на основе уникальных комбинаций универсальных функциональных блоков. Это позволяет подойти к «функциональному» решению одного из самых трудных вопросов современной эволюционной теории — переходу от микро- к макроэволюции. Смысл предложенной мною гипотезы заключается в том, что благодаря вариабельности функций и функциональных эффектов, которая соответствует масштабам микроэволюции, могут наблюдаться биологические эффекты, характерные для макроэволюции. В дальнейшем это приводит к изменению скорости эволюционного процесса и к изменению характера давления естественного отбора.
Проиллюстрируем выдвинутые положения некоторыми примерами. Один из таких примеров связан с неидеальным распределением продуктов синтеза биологически активных белков между различными частями клеточной мембраны. Так, около 40 % гликопротеинов достигают апикальной мембраны кишечных клеток непосредственно из аппарата Гольджи, а около 60 % — с «заходом» в базолатеральную мембрану. Такой механизм дискутируется и в случае сахаразно-изомальтазного комплекса (рис. 44). Другие мембранные белки, как, например, Na+,K+-ATФaзa, также могут быть обнаружены не только в базолатеральной мембране — типичном месте локализации этого насоса, но и в апикальной. Не исключено, что необычная локализация соответствующих биологически активных молекул у определенной части популяции может быть причиной формирования новых функций.
Рис. 44. Схема предполагаемого встраивания в апикальную мембрану кишечной клетки, интрацеллюлярного пути и поверхностного процессинга вновь синтезированного сахаразно-изомальтазного комплекса.
СИ — сахаразно-изомальтазный комплекс; И — изомальтазный домен (в предшественнике, или в про-СИ) или изомальтазная субъединица (в СИ); С — сахаразный домен (в предшественнике, или в про-СИ) или сахаразная субъединица (в СИ); N'—N-конец цепи; N—N-конец постулированной сигнальной последовательности; с — С-конец цепи; СП — сигнальная пептидаза; Э — панкреатические протеазы (например, эластаза); ? — не установлено, переносится ли про-СИ в мембрану микроворсинок непосредственно из аппарата Гольджи или через базолатеральную мембрану.
Далее, в соответствии с современными представлениями, существуют потоки веществ, направленные из полости тонкой кишки во внутреннюю среду организма (т.е. потоки всасываемых веществ), а также потоки из внутренней среды в полость кишки (т.е. потоки экскретируемых или секретируемых веществ). Изменение соотношения этих потоков в пределах популяции может приводить к развитию особей, у которых преобладает или всасывание определенных компонентов, или их экскреция. Например, если механизм секреции Сl- включается в апикальную мембрану кишечной клетки, то происходит изменение ее специализации: из элемента, всасывающего воду и соли, она становится элементом их выделения (рис. 36). Такое изменение направления потоков имеет место при диарее различной этиологии. Таким образом, несмотря на изменение соотношения лишь двух типов потоков, происходит формирование систем, имеющих полярное биологическое значение. Следовательно, в ходе эволюции возможен переход таких диаметрально противоположных функций, как всасывание и секреция, всасывание и экскреция путем перемещения универсальных функциональных блоков в пределах клетки (см. 6.3.4).
