А. М. Теория адекватного питания и трофология. Л. Наука, 1991. 272 с. (Наука и технический прогресс). Книга

169
ГЛАВА 8
ТЕОРИИ РЕГУЛЯЦИИ ПОТРЕБЛЕНИЯ ПИЩИ
8.1.
Вводные замечания
Одним из фундаментальных свойств организмов является их способность возмещать потерю расходуемых веществ и поддерживать определенный уровень пластических и энергетических материалов (см. гл.2 и
3).
Это достигается с помощью специального механизма, контролирующего потребление пищи, который все еще остается во многих отношениях загадочным.
Благодаря этому механизму обеспечивается соответствие поступающих веществ и веществ, расходуемых на процессы жизнедеятельности, включая основной обмен, рост, размножение, внешнюю работу и т.д. Такое равновесие между поступлением и расходом веществ - непременное условие длительного существования организмов.
Ясно, однако, что для поддержания такого соответствия необходима весьма сложная система управления, особенно учитывая сложность химического состава организма. Система управления должна получать прямые и косвенные сигналы о недостатке или избытке определенных веществ в организме и трансформировать их в соответствующие формы пищевой активности. При этом происходит стимуляция или торможение пищевой деятельности, а также изменение ее направления. В многоканальную систему управления включены как система рецепторов (обонятельных, вкусовых, зрительных, желудочно-кишечного тракта, внутренней среды, центральной нервной системы), так и система гормональных факторов.
На многих этапах химический состав пищи и концентрация жизненно необходимых молекул рецептируются и соответствующая информация поступает в так называемый пищевой центр, контролирующий пищевую активность, т.е. инициирующий и прекращающий потребление пищи, а также участвующий в ее выборе. В отличие от многих традиционных механизмов управления, где поддержание некоторых параметров достигается в пределах самой системы, аппетит регулируется по типу, характерному для открытых систем. В этом случае имеет место гомеостатирование за счет регулирования входа и выхода данной системы.
Мысль об автоматическом управлении потреблением пищи пищевым центром мозга была, по-видимому, впервые высказана И.П. Павловым в
1911 г. В настоящее время вопрос о механизмах регуляции потребления пищи стал привлекать пристальное внимание физиологов, биохимиков и клиницистов. В особенности детально исследуются структура и функции пищевого центра, который охватывает многие структуры центральной

170 нервной системы и контролирует как поведенческие, так и вегетативные процессы, связанные с потреблением и усвоением пищи.
Весьма совершенная регуляция потребления пищи характерна не только для высших форм жизни, но и для примитивных организмов, например кишечнополостных. Более того, даже применительно к простейшим можно, по-видимому, говорить о регуляции потребления пищи и ее выбора, о насыщении и аппетите, о соответствии потребляемой пищи потребностям в ней и т.д. В первом приближении можно считать, что избыток какого-либо вещества приводит к торможению аппетита к данному веществу, а недостаток его в организме вызывает усиленное потребление.
Все эти вопросы рассмотрены в фундаментальных обзорах, посвященных регуляции выбора и потребления пищи, а также взаимоотношениям этих процессов с обменом веществ (Handbook..., 1967; Weser, 1973; Асатиани,
Бакурадзе, 1974; Booth, 1974; Slanger, 1974; Hall, 1975; Lepkovsky,
1975; Hunger..., 197 6; Committee..., 1980; Management..., 1985;
Morley et al.,
1985;
Fisler,
1987;
Замбржицкий,
1989;
The physiology..., 1989; Кассиль, 1990; Green et al., 1990, и др.), а также в наших специальных сводках (Уголев, Кассиль, 1961, 1972;
Кассиль и др., 1970; Уголев, 1978, и др.).
8.2.
Регуляция аппетита
Представляется важным начать этот раздел словами, сказанными нами еще в 1961 г.: "... в процессе эволюции аппетит формируется не как реакция на уже возникшее истощение пищевых ресурсов, но как механизм, задолго предупреждающий такое истощение... Теории, связывающие голод и аппетит с исчерпанием запасов, несмотря на подкупающую простоту, должны быть отвергнуты. Аппетит не следует за исчерпанием депо пищевых веществ, но предваряет и не допускает его...
Многочисленные раздражители, формирующие состояние голода и аппетита, имеют до известной степени сигнальный характер. Это обусловливает пластичность и нестандартность управления процессами питания" (Уголев, Кассиль,
1961. с. 364).
Как отмечено выше, регуляция аппетита у высших организмов, включая человека, связывается с деятельностью сложноорганизованного и расположенного на многих уровнях центральной нервной системы пищевого центра. Пищевой центр - это не очень определенное понятие о системе структур, локализованных в головном мозге и обеспечивающих различные стороны регуляции пищевой деятельности.
В инициации пищевой активности, ее торможении и регуляции пищевого мотивированного поведения важная роль отводится латеральной области и вентромедиальным

171 ядрам гипоталамуса.
Это доказывается тем, что разрушение его определенных участков приводит к тяжелым нарушениям питания у экспериментальных животных.
В настоящее время принято, что при всех обстоятельствах гипоталамус является одним из основных звеньев, участвующих в формировании пищевой мотивации. При этом на состояния голода и сытости оказывают влияние так называемые центральные и периферические пептиды, эндогенные факторы, продукты обмена и т.д.
Кроме того, продемонстрировано, что пищевое поведение может определяться структурно-функциональным состоянием всех отделов головного мозга, в том числе бледного шара, красного ядра, покрышки среднего мозга, черной субстанции, височной и лобных долей, таламуса, гиппокампа, неокортекса и ряда других. Обширная литература, касающаяся этой проблемы, а также морфофункциональных характеристик пищевого центра, представлена в капитальных обзорах: Замбржицкий, 1989; Кассиль, 1990.
В соответствии с современными взглядами, пищевой гипоталамический центр состоит из нескольких специализированных частей, так называемых центров голода и сытости, которые в свою очередь находятся под корригирующим влиянием ряда центральных образований. Непосредственно в указанные центры через хемочувствительные элементы, а также через различные периферические рецепторы поступают сигналы, приводящие к активации, торможению или модификации пищевой деятельности.
Однако гипоталамические центры являются лишь частью структур, связанных с регуляцией пищевого поведения. Имеется много данных, что и другие подкорковые структуры, в частности бледное ядро, стриопаллидарная система и другие, также принимают участие в регуляции аппетита. Значительную роль в организации пищевых реакций играет лимбическая система. Наконец, огромная роль в формировании пищевого поведения принадлежит коре больших полушарий.
В настоящее время трудно представить полную, а тем более исчерпывающую картину регуляции пищевой активности. Тем не менее установлено, что в регуляции аппетита большое значение имеют периферические и центральные рецепторы, а также специфические и неспецифические гормональные сигналы.
Потребление пищи, ее переработка и всасывание в пищеварительном канале, депонирование и расход все эти процессы трансформируются в разнообразные потоки информации, которые в конечном итоге определяют повышение или понижение (вплоть до прекращения) пищевой активности.
Различными исследователями сделаны попытки связать регуляцию аппетита с определенными видами обмена веществ. Так сформировалось несколько

172 теорий регуляции аппетита, которые в сжатом виде охарактеризованы ниже. (Обширная сводка литературы представлена в обзорах: Уголев,
1978; Кассиль, 1990.)
8.2.1. Аминоацидстатическая теория
Теория, получившая большую популярность, связывает регуляцию аппетита с изменением уровня аминокислот в крови. Действительно, ряд аминокислот может вызывать понижение аппетита и, следовательно, служить физиологическим сигналом сытости. В настоящее время эта теория приобретает дополнительные аргументы, так как показано, что некоторые аминокислоты являются медиаторами или модуляторами в нервной передаче.
Такое сочетание создает исключительные условия для функционирования глутамина, аланина, глицина и некоторых других аминокислот в качестве точечных и гибких регуляторов. При этом их уровень в крови может отражать как условия питания, так и функциональное состояние организма.
8.2.2. Глюкостатическая теория
Эта теория регуляции аппетита отводит важную роль уровню глюкозы в крови и его гомеостатированию. В сущности, выдвинуто несколько глюкостатических теорий. Первая из них связывает торможение пищевой активности с повышением концентрации глюкозы в крови, обычно имеющим место при всасывании пищи, а пищевое возбуждение - с ее снижением.
Однако эта относительно простая теория не получила широкого распространения, так как многие факты противоречили ей. Тем не менее показано, что в центральной нервной системе, особенно в области гипоталамуса, есть специализированные клетки, обладающие высокой чувствительностью к глюкозе, разрушение которых с помощью токсических аналогов глюкозы приводит к развитию гиперфагии. Согласно некоторым точкам зрения, для регуляции аппетита чрезвычайно важен не абсолютный уровень глюкозы в крови, а ее артерио-венозная разница, возрастающая при сытости и падающая до отрицательных значений при голодании.
Наличие специализированных глюкорецепторов, связанных с регуляцией аппетита, является аргументом в пользу глюкостатической теории, так же как и ряд фактов, свидетельствующих о том, что в центральной нервной системе имеются нейроны, отвечающие на локальную гипергликемию.
Влияние на аппетит глюкозы и аминокислот может реализоваться через некоторые общие звенья метаболизма
(см. метаболическую теорию регуляции аппетита).

173 8.2.3. Липостатическая теория
Весьма привлекательна липостатическая теория, связывающая появление аппетита с переходом от питания экзогенными нутриентами к мобилизации жировых депо. Эта теория говорит, что пищевая деятельность активируется автоматически в момент перехода от экзотрофии к эндотрофии.
Однако остается не вполне ясной природа сигналов, возбуждающих голод. Возможно, в этом процессе определенную роль играет выделение гормонов, обеспечивающих мобилизацию жировых депо.
8.2.4. Дегидратационная теория
Дегидратационная теория объясняет чувство насыщения физиологическим обезвоживанием крови. Такое обезвоживание происходит при интенсивном пищеварении в связи с переходом части жидкости в виде секретов из крови в желудочно-кишечный тракт. По всей вероятности, такой механизм имеет определенное значение в качестве одного из компонентов сытости.
Однако с позиций этой теории трудно объяснить происхождение голода, который мог бы возникать при питье воды в результате увеличения объема циркулирующей жидкости, чего в действительности никогда не происходит. Физиологическое обезвоживание крови, по- видимому, может иметь большее отношение к регуляции потребления воды, т.е. к возникновению чувства жажды, чем к регуляции голода.
8.2.5. Термостатическая теория
Особое место занимает теория, связывающая прекращение еды с локальным повышением температуры тела, в частности гипоталамической области, где представлены центры голода и сытости. Согласно этой теории, животные едят для того, чтобы не остывать, и прекращают еду, чтобы не перегреваться (Strominger, Brobeck, 1953). Предполагается, что эффект насыщения тем выше, чем больше специфическое динамическое действие (СДД) пищи. Причем чем сильнее повышается температура, тем сильнее тормозится аппетит.
Эта точка зрения получила ряд экспериментальных подтверждений.
Вместе с тем она подверглась справедливой критике, так как не могла объяснить многих особенностей регуляции аппетита.
8.2.6. Метаболическая теория
Крупным недостатком всех перечисленных теорий является то, что регуляция потребления пищи связывается с обменом одной из групп пищевых веществ - белков, углеводов, жиров, с обменом воды и т.д. В конце концов становится все более очевидным, что все виды обмена

174 веществ имеют отношение к регуляции аппетита. В связи с этим нами была выдвинута так называемая метаболическая теория, согласно которой регуляция аппетита связана с энергетически наиболее значимыми и в то же время общими конечными звеньями метаболизма всех пищевых веществ - циклом Кребса. Эта теория была предложена нами еще в 50-х годах и затем развита совместно с В.Н. Черниговским и В.Г. Кассилем в течение
60-70-х годов (Уголев, 1962; Кассиль и др., 1970; Уголев, Кассиль,
1972; обзор: Уголев, 1978). Впоследствии эта теория получила новые доказательства и подтверждение (Booth, 1974).
В основе метаболической теории лежит предположение, что регуляция потребления пищи должна быть связана прежде всего с освобождением основной части энергии, поступающей в организм с пищей. Как известно, окисление пищевых веществ (жиров, белков, углеводов) завершается циклом Кребса с освобождением до 70% заключенной в пище энергии. В конечном счете деятельность пищевого центра должна быть связана с оценкой заключенной в пище энергии, что согласуется с данными о гипоталамусе как «счетчике калорий». Если так, то можно думать, что метаболиты цикла Кребса имеют первостепенное значение для регуляции потребления пищи. Экспериментальная проверка показала, что такое предположение правильно. Введение голодным крысам натриевой соли лимонной кислоты - метаболита одной из первых стадий цикла Кребса - приводит к более глубокому торможению аппетита, чем введение глюкозы.
Особенно важно, что насыщение, вызываемое цитратом, наступает значительно быстрее, чем после введения глюкозы. Очевидно, влияние глюкозы на пищевой центр опосредуется через метаболиты цикла Кребса.
Следует иметь в виду, что метаболическая теория регуляции аппетита не отрицает ни одну из упомянутых выше теорий. Напротив, она позволяет понять глубокую связь различных типов обмена веществ с регуляцией аппетита и варьирование у животных разных видов то одних, то других типов сигналов голода и насыщения.
8.3.
Специализированные аппетиты
Взрослые животные поддерживают собственный вес в течение длительного времени как при ограничении, так и при избытке пищи.
Следовательно, они обладают способностью каким-то образом учитывать потребность в пищевых веществах. Потребность в калориях определяется периферическими сигналами и пищевым центром, повреждение или патологические изменения которого могут приводить к недостаточному или избыточному поглощению калорий. Можно было бы свести регуляцию потребления пищи к регуляции потребления калорий. Такое предположение,

175 возможно, справедливо для монофагов, т.е. организмов, питающихся определенным типом пищи с одним составом. Однако оно не пригодно для полифагов, у которых экспериментально доказано существование специализированных аппетитов (Уголев, Кассиль, 1972).
Уже в 1911 г. И.П. Павлов подошел к проблеме специализированного отношения к пище, охарактеризовав пищевой центр как один из важнейших регуляторов «химического равновесия тела». Действительно, регуляцию химического состава организма в сфере пищевого поведения нельзя себе представить иначе, чем с точки зрения существования специализации аппетита, благодаря чему человек и животные находят и выбирают именно те виды пищи, которые в данный момент более всего соответствуют их потребностям. По-видимому, дифференцированное отношение к различным видам пищи долгое время не попадало в поле зрения физиологов по той причине, что пищевые реакции рассматривались как врожденные. Имелось, однако, немало наблюдений, свидетельствующих, что даже животные, питание которых узко специализировано, периодически меняют пищевые склонности. Это обстоятельство привело к необходимости выяснить, какие именно сдвиги в организме приводят к изменению выбора пищи и является ли этот выбор адекватным.
Очень важно было также определить физиологические механизмы, лежащие в основе регуляции специализированного пищевого поведения. В ряде случаев изменение пищевых склонностей представлялось целесообразной и адаптивной реакцией, в других - создавалось впечатление, что изменение пищевой реакции не адекватно потребностям организма. Ответы на эти вопросы получены лишь частично.
Нельзя не отметить, что переход от описательной стороны проблемы к экспериментальной также связан с именем И.П. Павлова. Еще в 1892 г. он отметил избирательный отказ от мясной пищи собаками с эккпавловским соустьем. Эта реакция рассматривалась как следствие повышения в крови азота, вызванного выключением печени.
В более поздних работах сотрудники И.П. Павлова деятельность пищевого центра оценивали как по пищевому поведению, так и по динамике слюноотделения. Было, в частности, показано, что отрицательная реакция на избыточно введенные в организм сахар или поваренную соль проявляется в отказе от этих веществ и выделении на них большого количества жидкой «отмывающей» слюны.
Значительные успехи в области физиологии специализированных аппетитов были сделаны благодаря разработке метода активного выбора пищи. Этот метод наиболее полно был использован и усовершенствован, начиная с работ П. Янга (Young, 1941) и К. Рихтера (Richter, 1956,

176 1957). Было установлено, что крысы, получившие возможность свободного выбора отдельных пищевых компонентов, растут и развиваются лучше, чем животные на стандартной диете, составленной в соответствии с теоретически рассчитанной физиологической нормой. Близкие данные были получены и в педиатрической клинике. Оказалось, что дети, получившие возможность после прекращения молочного вскармливания свободно выбирать пищу, хорошо росли и развивались.
Изменение пищевых склонностей у животных особенно четко удалось проследить при различных патологических состояниях.
Так, после удаления надпочечников резко возрастает аппетит к солям натрия, что связано с большими потерями этого элемента с мочой (Richter, 1936).
Удаление паращитовидных желез повышает потребность организма в кальции, что вызывает у животных предпочтение пищи с высоким содержанием солей кальция. У крыс с удаленной поджелудочной железой снижается потребление углеводов и повышается потребление жиров.
Многочисленные примеры адаптивного изменения пищевого выбора в соответствии со сдвигами во внутренней среде организма (обзор: Young,
1967) уже давно позволили нам (Уголев, Кассиль, 1972) рассматривать специализированные аппетиты как механизм регуляции гомеостаза. Вместе с тем способность адекватного выбора пищи проявляется далеко не во всех случаях нарушения равновесия во внутренней среде организма.
Имеется значительное число исследований, не подтверждающих наличие прямой связи между избытком или недостатком определенных веществ в организме, с одной стороны, и формированием пищевых реакций - с другой. Это обстоятельство приводит к тому, что до сих пор не существует единого мнения о формировании специализированных белкового, углеводного, жирового и витаминного аппетитов.
8.4.
Аппетит и кишечная гормональная система
В течение последних десятилетий получено много данных о важной роли кишечных гормонов в регуляции потребления пищи. Кроме того, в течение последней четверти века представления о регуляции аппетита изменились в связи с открытием специализированных гормональных влияний на потребление пищи.
8.4.1. Арэнтерин
В 1960 г. нами (Уголев, 1960б) было продемонстрировано, что экстракты двенадцатиперстной кишки, но не желудка, печени, мышц и селезенки, вызывают специфическое торможение аппетита (рис.8.1). После введения экстракта двенадцатиперстной кишки поведение голодных крыс напоминало поведение сытых животных.
Снижение потребления пищи

177 наблюдалось после введения таких экстрактов как сытым, так и голодным животным. На основании этих данных можно допустить, что существует кишечный гормон или фактор, осуществляющий торможение аппетита, т.е. торможение той важнейшей реакции, которая характеризует изменение поведения человека и животных после удовлетворения пищевых потребностей. В 1962 г. (Уголев, 1962) были получены сведения, которые позволили предположить, что такой фактор, скорее всего, является пептидом. Наличие дуоденального фактора, вызывающего сытость, который был назван нами арэнтерином (аппетитрегулирующим энтерином, т.е. кишечным гормоном), так же как и его пептидная природа получили подтверждение во многих работах. Все же следует отметить, что до сих пор арэнтерин в чистом виде не получен.
Рис.8.1. Потребление пищи предварительно голодавшими крысами после введения раствора Рингера (А), экстрактов двенадцатиперстной кишки
(Б), желудка (В) и селезенки (Г) (по: Уголев, 1978).
По горизонтали - время от начала кормления: 1 - 0-30 мин, 2 - 30-60 мин, 3 - 60-120 мин; по вертикали - количество потребляемой пищи (мг).
Попытки охарактеризовать арэнтерин были предприняты группой чл. - корр. АН СССР А. с. Хохлова в Институте биоорганической химии им. М.М.
Шемякина АН СССР и в нашей лаборатории. В середине 70-х годов обеими группами было продемонстрировано, что арэнтерин - это белок с молекулярной массой около 100000 (обзоры: Уголев, 1978, 1985).
8.4.2. Другие кишечные гормоны
В 70-х годах было обнаружено, что многие известные гормоны желудочно-кишечного тракта, в частности гастрин и секретин, не оказывают влияния на аппетит. В отличие от них холецистокинин вызывает сильное торможение пищевой активности.
Первым,
По-видимому, продемонстрировал специфическое влияние холецистокинина на потребление пищи X. Купманс с сотрудниками (Koopmans et al., 1972). В цикле

178 исследований группы Дж. Смита (Smith et al., 1974) на крысах было показано, что холецистокинин может вызывать торможение аппетита.
Авторы, однако, оценивали этот эффект, скорее, как фармакологический, чем физиологический у обезьян также обнаружено торможение потребления пищи после введения холецистокинина. У человека потребление пищи зависит от дозы введенного холецистокинина и от способа его введения.
Так, внутривенное введение гормона в дозе 0.5 ед/кг приводит к торможению аппетита, а постепенное внутривенное введение в дозе 1 ед/кг, напротив, вызывает его стимуляцию (Sturdevant, Goetze, 1976).
Прямое действие холецистокинина на центры питания и другие нервные центры показано в электрофизиологическом исследовании II. Дафни и Е.
Джекобсона (Dafny, Jacobson, 1975). Наконец, продемонстрировано, что после введения глюкагона возрастает электрическая активность центра сытости. (Более подробно эти вопросы освещены в монографии: Уголев,
1978.)
В 80-е годы интенсивная работа в этом направлении продолжалась. На человеке и животных было вновь продемонстрировано, что в передаче сигнала насыщения большую роль играют кишечные гормоны. Суммируя полученные за эти годы данные, можно сказать, что экзогенный холецистокинин, в том числе его синтетический октапептид холецистокинин-8, вызывает снижение потребления пищи, которое зависит от дозы гормона и места его введения
(периферического или центрального). При этом для развития эффекта насыщения необходим сульфатированный тирозин в 7-й позиции С-терминального конца цепи октапептида холецистокинина.
Показана также физиологическая специфичность холецистокинина: он ингибирует потребление пищи, но не воды (Smith, 1983; Gibbs, Smith, 1986, и др.).
В последние годы дискутируется вопрос о периферическом и центральном механизмах действия холецистокинина на аппетит.
(Физиологический и фармакологический эффекты гормона дифференцировать достаточно трудно.)
Так как систематические инъекции холецистокинина приводят к резкому изменению пищевого поведения, то предполагается, что гормон должен прямо или опосредованно вызывать изменения функционального состояния мозговых структур. Считается, что основным путем передачи информации после введения экзогенного холецистокинина служат афферентные волокна абдоминальной вагусной системы, с рецепторами которой связывается гормон. Кроме того, гормон может связываться и с рецепторами пилорического сфинктера желудка.

179
Для объяснения эффекта эндогенного холецистокинина привлекается гипотеза, согласно которой освобождение этого гормона, вызывая чувство насыщения, определяет окончание акта еды, следствием чего является соответствующее поведение.
По-видимому, эндогенный холецистокинин может прямо влиять на функции мозга, вызывая торможение аппетита.
Принято, что основную роль в этом эффекте играют вентромедиальная и латеральная области гипоталамуса.
В последние годы продемонстрировано, что такие кишечные пептиды, как глюкагон, соматостатин и бомбезин, также вызывают торможение потребления пищи, но в меньшей мере, чем холецистокинин. В отличие от этих гормонов секретин, гастрин и ГИП не обладают таким эффектом.
Подробно история развития проблемы и ее современное состояние освещены в ряде детальных сводок (Smith, 1982, 1983, 1984; Gibbs,
Smith, 1986, 1988; Murphy et al., 1988; Кассиль, 1990, и др.).
Наконец, к кишечным пептидным гормонам, ингибирующим потребление пищи, относится также сатиетин (обзор: Замбржицкий, 1989).
Следует отметить, что влияние на аппетит холецистокинина, глюкагона, энтерогастрона и других гормонов, По-видимому, является важной, но скорее дополнительной (а не основной) функцией. По крайней мере в некоторых случаях можно думать об их фармакологическом, а не физиологическом действии.
Эти же факты давали возможность предполагать, что среди кишечных гормонов, возможно, существуют такие, которые обладают преимущественно нейротропным действием, и их аппетиттормозящие эффекты будут выражены более отчетливо, чем у известных гормонов. Действительно, нами было продемонстрировано, что арэнтерин влияет на потребление пищевых веществ более эффективно, чем холецистокинин и секретин. В частности, при внутрибрюшинном введении препарата арэнтерина в дозе 0.1 мг на 100 г массы тела крысы наблюдается резкое торможение потребления раствора глюкозы (рис.8.2).
После введения заведомо большей дозы секретина (0.5 мг на 100 г массы тела) торможения аппетита не происходит. Введение холецистокинина также в дозе 0.5 мг на 100 г массы тела вызывает сравнительно слабый и кратковременный эффект (рис.8.3) (Уголев, 1978).
Итак, эндокринные клетки тонкой кишки, По-видимому, продуцируют более чем один фактор, способный понижать пищевую возбудимость. В одних случаях некоторые из этих факторов - хорошо известные гормоны, проявляющие новые стороны физиологической (или фармакологической) активности, в других случаях - это «новые» гормоны. К числу последних относится арэнтерин. Заслуживает внимания, что арэнтерин обладает большей продолжительностью действия, чем холецистокинин. В этом смысле

180 арэнтерин вообще отличается от большинства кишечных гормонов, эффект которых непродолжителен. Это означает, что кишечная гормональная система способна не только к кратковременным, но и более продолжительным регуляторным эффектам.
Рассмотрим более обобщенно влияние желудочно-кишечных гормонов на потребление пищи. Следует различать два типа эффектов: 1) прямые
(гипоталамотропные) эффекты, в том числе арэнтерина и холецистокинина, на структуры гипоталамуса; 2) косвенные эффекты, которые, по-видимому, следует учитывать в комплексе реакций, связанных с нормальным насыщением. В частности, согласно дегидратационной теории регуляции аппетита, физиологическая дегидратация тканей, вызванная секрецией главных пищеварительных органов, служит одной из причин понижения аппетита и возникновения физиологической жажды. С этой точки зрения, можно думать, что в регуляции аппетита опосредованно участвуют: секретин, который стимулирует секрецию жидкой части поджелудочного сока, и гастрин, который вызывает значительную по объему секрецию желудочного сока. Кроме того, растяжение желудка, ацидификация желудка и верхних отделов двенадцатиперстной кишки являются также источником нервных сигналов, передаваемых главным образом по блуждающим нервам.
Рис.8.2. Потребление глюкозы после внутрибрюшинного введения раствора
Рингера и препарата арэнтерина (по: Уголев, 1978).
По оси абсцисс - время после потребления глюкозы (мин); по оси ординат
- количество выпитого 40%-ного раствора глюкозы (мл). 1 - после введения раствора Рингера, 2 - после введения арэнтерина.
Рис.8.3. Торможение потребления глюкозы после внутрибрюшинного введения препаратов арэнтерина, секретина и холецистокинина (по:
Уголев, 1978).
По оси абсцисс - время после потребления глюкозы (мин); по оси ординат
- торможение потребления 40%-ного раствора глюкозы (% по отношению к исходному уровню). 1 - после введения арэнтерина; 2 - после введения секретина; 3 - после введения холецистокинина.
Особого рассмотрения заслуживает роль кишечной гормональной системы в потреблении пищи в связи с термостатической теорией регуляции аппетита. Ряд данных позволяет считать, что СДД пищи и

181 изменение внутренней, в частности гипоталамической, температуры могут быть важным компонентом нормального насыщения. Так, показано, что повреждения ростральной области гипоталамуса, связанной с регуляцией как температуры, так и потребления пищи, приводят к нарушению обеих этих функций (обзор: Hamilton, 1967). Здесь необходимо напомнить о существовании обнаруженных нами компонентов СДД пищи (см. гл.7), контролируемых кишечной гормональной системой и действием желудочного химуса при его прохождении через двенадцатиперстную кишку. Понижение пищевого возбуждения, связанное с интенсификацией обмена, и повышение внутренней температуры также в определенной мере обусловлены включением кишечного гормонального комплекса. В целом прохождение пищи через верхние отделы пищеварительного аппарата вызывает выделение ряда гормонов желудочно-кишечного тракта, прямо или косвенно влияющих на переход от голодного состояния к сытому и во многих случаях к появлению питьевых реакций. К гормонам, вызывающим физиологическую дегидратацию, которая благоприятствует понижению пищевого возбуждения и повышению питьевого, относятся гастрин и секретин. Дегидратация может влиять на пищевой центр как через периферические, так и через центральные осморецепторы.
В свете обсуждаемых данных обращает на себя внимание недавнее исследование, на основании которого высказано предположение, что мотилин играет важную роль в контроле моторной деятельности не только у собак и людей, но и у свиней (Bull, Sissons, 1988).
Совершенная регуляция потребления пищи включает в себя два типа регуляторов, различающихся по своим временным характеристикам: быстродействующие
(кратковременные) и длительнодействующие
(долговременные). Как правило, регуляция первого типа обеспечивает срочные, но не вполне точные реакции, тогда как медленные регуляции обеспечивают точное соответствие между потребностью в калориях и их поглощением.
Таким образом, если существует несколько типов кишечных гормонов, влияющих на аппетит (а их должно быть несколько, в том числе арэнтерин и холецистокинин), то с их помощью реализуются как более быстрые, так и более медленные типы регуляции аппетита, или потребления пищи
(рис.8.4).

182
Рис.8.4. Схема нейрогуморальной регуляции аппетита с участием арэнтерина (по: Уголев, 1978).
До сих пор мы рассматривали влияние кишечной гормональной системы на пищевой центр, сузив эту проблему до регуляции потребления пищевых веществ. В действительности речь идет о том, что кишечная гормональная система путем изменения мотиваций участвует в переключении целенаправленного поведения, характерного для голодного животного, на поведение, свойственное сытому животному. Поэтому можно думать, что чем дальше будет развиваться эта проблема, тем больше места в ней будет занимать область нейротропных и психотропных влияний кишечной гормональной системы.
Как отмечено выше, Н. Дафни Е. Джекобсон (Dafny, Jacobson, 1975) показали, что гормоны желудочно-кишечного тракта, продуцируемые при потреблении пищи, индуцируют насыщение посредством изменения электрической активности центральной нервной системы. По мнению авторов, центр аппетита взаимодействует с вышележащими центрами, которые могут влиять на тонус сосудов, моторику пищеварительного аппарата и секреторную активность. Предполагается, что холецистокинин может действовать как модулятор одного из известных химических мессенджеров. Вместе с тем эти данные подтверждают высказанную нами мысль, что эффекты гормонов желудочно-кишечного тракта должны охватывать в конце концов более значительную сферу реакций, чем только контроль над пищеварительными процессами.
В целом приведенные сведения свидетельствуют, что кишечная гормональная система может играть важную роль не только в контроле обмена веществ за пределами пищеварительного аппарата, но и в

183 управлении поведенческими реакциями, прямо или косвенно связанными с регуляцией потребления пищи.
8.5.
Заключительные замечания точность регуляции потребления пищи и две теории питания)
Концепция идеальной регуляции потребления пищи,
По-видимому, соответствует концепции идеального питания.
В действительности организмы не являются идеальными системами (см. подробно обзоры:
Уголев, 1985, 1987а), и регуляция потребления пищи происходит с большой степенью приближенности. При некоторых режимах питания, например при потреблении высококалорийной пищи, может происходить переедание, а при переходе к низкокалорийной - в течение некоторого времени недоедание. За непродолжительные интервалы времени возникают нарушения баланса (деэквилибрация) ряда компонентов внутренней среды как у животных (в естественных условиях их существования), так и у человека (в значительной мере в искусственных условиях жизни). Однако после этого происходит восстановление нарушенного баланса
(реэквилибрация) в результате интегрального эффекта изменения выбора пищи и вегетативной регуляции гомеостаза.
В нашей лаборатории показано, что солевой баланс у крыс на оптимальном уровне поддерживается не в каждый данный момент, а как результат взаимодействия различных регуляторных систем на протяжении продолжительного времени.
Каким же образом, несмотря на неидеальное управление, потреблением пищи, поддерживается высокий уровень жизнедеятельности? (Неидеальное управление питанием понимается в том смысле, что в каждый данный момент нет полного соответствия между потерей и поступлением пищевых веществ и, следовательно, нет сохранения молекулярного состава организма.) По всей вероятности, гомеостаз внутренних сред существует, при этом в случае избыточного поглощения пищи большую роль играет депонирование избытка веществ, а в случае недостаточного поглощения - мобилизация депо, точно так же как и изменение уровня функционирования ряда систем. Такие представления о регуляции потребления пищи больше соответствуют теории адекватного питания с ее многочисленными видовыми и экологическими вариациями, чем концепции идеального питания в свете теории сбалансированного питания.
Возникает вопрос, как происходит узнавание недостающих веществ, учитывая множество незаменимых элементов, при том, что каждый из них должен быть опознан? Можно выдвинуть гипотезу, согласно которой существуют опознающие рекогносцирующие клетки или органы (например, у

184 высших организмов язык), которые в условиях деэквилибрации узнают недостающий во внутренней среде элемент, если он содержится в пище.
Например, если для нормального функционирования системы необходимы элементы А, Б и В, то в отсутствие элемента В система работает в измененном режиме. Но при контакте с пищей, содержащей недостающий элемент В, работа системы нормализуется и, следовательно, система специфически опознает такой элемент.
Что касается физиологической роли различных рецепторных зон, то в настоящее время она не может быть полностью охарактеризована. Но уже сегодня можно говорить, что разные рецепторные зоны контролируют различные процессы.
Например, нами было обнаружено, что при субдиафрагмальной ваготомии суточное потребление калорий не меняется, но меняется ритм потребления пищи; при выключении синокаротидной рефлексогенной зоны меняется уровень потребления пищи и воды.
Наконец, имеются серьезные основания полагать, что наряду с классическими гормонами желудочно-кишечного тракта существуют гипоталамотропные кишечные гормоны, среди которых, в частности, наиболее подробно изучен аппетитрегулирующий гормон - арэнтерин. Этот гормон, вызывая чувство сытости, тормозит потребление пищи в значительно большей мере, чем холецистокинин. Состояние сытости, вызываемое холецистокинином, реализуется главным образом через блуждающие нервы. Эффект холецистокинина может быть предупрежден субдиафрагмальной ваготомией. С другой стороны, насыщающий эффект арэнтерина не снижается после субдиафрагмальной ваготомии, что говорит о прямом центральном действии этого гормона. Таким образом, кишечная гормональная система играет существенную роль в регуляции аппетита.
Большой интерес представляют данные о взаимодействии гормональных и рефлекторных сигналов.
Влияние различных диет на симпатическую нервную систему представлено в недавнем обзоре (Landsberg, Young, 1985).

185
ГЛАВА 9
ТРОФИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПРОИСХОЖДЕНИЯ ЖИЗНИ В СВЕТЕ ТРОФОЛОГИИ. НЕКОТОРЫЕ
БИОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ТРОФОЛОГИИ
9.1.
Вводные замечания
Из предшествующего изложения ясно, что трофология в целом останется собранием прикладных направлений, если не будут учтены многие аспекты биологии, и в особенности эволюционные. Действительно, с одной стороны, питание и его условия влияют на эволпцию организмов и служат одним из ее определяющих факторов. С другой стороны, питание и структура трофических связей в значительной мере сами формировались и продолжают формироваться в ходе эволюции с момента возникновения жизни и по сей день, что отражается в организации и перестройках экосистем или отдельных популяций и видов.
Жизнь - это организованный процесс, который включает в себя рост, размножение живых систем и многие другие важные процессы, а в течение длительных интервалов времени - совершенствование самих этих систем.
Для всего этого необходим аппарат, обеспечивающий поглощение пищевых веществ
(при биотрофии
- органических, при абиотрофии
- неорганических) и их усвоение, а также источник энергии (при биотрофии
- ассимилируемые органические вещества, при абиотрофии - свет, определенные минеральные соединения и т.д.). Жизнь требует также некоторых преобразований поступивших веществ, в результате чего осуществляются построение структур тела и ряд других процессов, объединяемых под названием промежуточного обмена. Наконец, в процессе жизнедеятельности из организма выводится ряд веществ, многие из которых представляют собой конечные продукты обмена. Эти процессы сопровождаются интенсивной работой информационных систем различной сложности (вплоть до нервной системы), механических и других систем, которые обеспечивают движение, трансформацию и транспорт веществ, а также другие формы деятельности.
Для понимания закономерностей эволюции ряда систем, в частности ассимиляторных, представляется целесообразным в сжатой форме охарактеризовать
(конечно, весьма гипотетично) их возникновение, трофику, трофические взаимодействия и т.д.
Важно также, что трофологический анализ позволяет с новых позиций рассмотреть происхождение жизни на Земле, с учетом того, что многие закономерности ассимиляции пищевых веществ живыми системами, стоящими на разных уровнях организации, а также в разных звеньях трофических цепей, универсальны. Различным аспектам проблемы происхождения жизни на Земле

186 посвящены многочисленные фундаментальные обзоры.
Приведем лишь некоторые из них: Опарин, 1957, 1966; Происхождение..., 1966; Bernal,
1969;
Molecular evolution,
1971;
Biology of nutrition,
1972;
Evolutionary biology, 1974; Lehninger, 1974; Происхождение жизни...,
1975; The early history..., 1976; Broda, 1978; Lewontin, 1978; Origin of life, 1978; Эволюция, 1981; Уголев, 1985; Babloyantz, 1990, и др.
9.2.
Происхождение и ранние стадии развития жизни
Современная теория происхождения жизни - это теория появления структур, которые, развиваясь и усложняясь, приобретали определенные функциональные свойства. По-видимому, эти свойства могли возникнуть уже на ранних этапах эволюции, так как некоторые полимеры обладали рядом характеристик, присущих феномену жизни. Однако, несмотря на огромные успехи теории происхождения жизни на Земле, существует множество проблем, которые ждут своего решения.
После знаменитой работы А.И. Опарина, увидевшей свет в 1924 г., а затем работ Дж. Холдейна (Haldane, 1969), Дж. Бернала (Bernal, 1969) и многих других проблема происхождения жизни стала предметом сначала теоретического, а затем и экспериментального научного анализа. В течение длительного времени эту проблему относили главным образом к проблемам химии и биохимии, которые рассматривались применительно к условиям определенного этапа геологического развития Земли. Затем к этим представлениям были присоединены некоторые другие взгляды, в том числе взгляды физиологов.
Интерпретация происхождения жизни на Земле в значительной степени зависит от понимания ее сущности. Мы не будем пытаться уточнять понятие жизни и отошлем читателя к обширной и противоречивой литературе. Заметим лишь, что в отличие от многих натуралистов, и в частности А. Сент-Дьердьи (Szent-Györgyi, 1947), которые считают, что в основе жизни лежат лишь немногие фундаментальные принципы организации и эволюции живых систем, мы придерживаемся другой точки зрения. Мы полагаем, что число таких принципов очень велико и многие из них еще предстоит открыть (Уголев, 1985, 1987а, 1989).
Другими словами, жизнь не может получить объяснение в свете небольшого числа сколь угодно важных законов, так как фундаментальной особенностью жизни как процесса является многосущность, из чего вытекает и невозможность одного способа ее описания. Нам, однако, достаточно понимания того, что жизнь - это многосущностный процесс с чрезвычайно сложной организацией во времени и пространстве.

187
В отношении происхождения первых клеток были высказаны две основные гипотезы. Одна из них, впервые выдвинутая еще А.И. Опариным, основное значение придает образованию ферментов и формированию клеточных границ. При этом постулируется, что генетическая система возникла позднее и первооснову жизни составляли белки. Сходной точки зрения придерживается С. Фокс (Fox, 1980). Вторая гипотеза утверждает, что потенциальной формой жизни была нуклеиновая кислота, названная
«голый ген», на основе которого стали возможны построение и эволюция белков (см., например, Lehninger, 1974; Florkin, 1975; Dubos, 1978).
Питание является одним из первичных процессов. Мы полагаем, что оно имеется у тех систем, которые носят название протоклеток и микросфер (Уголев, 1985, 1989). Согласно гипотезе А.И. Опарина, первые предклетки появились в тот момент, когда вокруг одной или нескольких макромолекул каталитически активных белков возникла граница, или мембрана. Термин «протоклетка» принят для обозначения промежуточного звена в процессе возникновения жизни.
Это звено, по-видимому, находилось между эволюирующими химическими соединениями и биологическими формами, обладающими генетическим аппаратом и подвергающимися естественному отбору. Существенно, что протоклетки обладали уже некоторыми биологическими признаками.
Древнейшие органические микроструктуры имеют возраст около 4 млрд. лет. Вполне вероятно, что они и были протоклетками. Как отмечал К.
Фолсом
(Folsome,
1982), протоклетки образовались в первобытных водоемах из полимерного материала одновременно с органическими соединениями. А.И. Опарин в качестве модели протоклеток предложил коацерватные капли, состоящие из смеси коллоидных частиц. Этими частицами могли быть неспецифические макромолекулы, связывающие молекулы воды, и при определенных значениях pH среды, концентрации солей и температуры соединяющиеся друг с другом с образованием коацерватных структур. Последние по своим размерам напоминали клетки.
Некоторые коацерватные капли могли поглощать какое-либо низкомолекулярное вещество
(глюкозу или аминокислоты), а также примитивный катализатор. Тогда внутри капли могли аккумулироваться как субстрат, так и катализатор. Из этого следует, что такие капли могли обладать примитивным метаболизмом, состоящим из одной реакции.
В соответствии с гипотезой А.И. Опарина, капли, наделенные метаболизмом, должны были взаимодействовать с водным окружением и поглощать все новые соединения, включающиеся в структуру капель, что давало возможность их роста. Под действием ряда физических факторов капли могли распадаться на более мелкие. Некоторые из них могли

188 сохранять в себе молекулы катализатора, что способствовало росту и образованию нового поколения капель. Идеи А.И. Опарина получили экспериментальное подтверждение.
С. Фокс и многие другие (см. обзоры: Fox, Dose, 1975; Fox, 1980;
Эволюция,
1981) описали структуры, полученные в модельных экспериментах, которые были названы протеиноидами.
Протеиноиды представляют собой белковоподобные полимерные молекулы, преимущественно со случайной последовательностью аминокислот, образующиеся при отщеплении одной молекулы воды в расчете на каждую пептидную связь. Протеиноиды в растворе имеют форму сфер диаметром около 10 мкм и напоминают клетки, ограниченные толстой мембраной.
Протеиноиды с большой молекулярной массой, иногда превосходящей 10000, содержат до 18 различных аминокислотных остатков и обладают рядом свойств, характерных для белков. Более того, у некоторых протеиноидов обнаружена способность повышать скорость определенных химических реакций, а у других - хотя и слабая, но отчетливая гормональная активность. Эти факты свидетельствуют, что полипептидные цепи с определенной аминокислотной последовательностью могут возникать самопроизвольно при сравнительно простых условиях.
Протеиноиды обладают также функциями узнавания и дискриминации, которые проявляются в избирательном взаимодействии или отсутствии такового. Наконец, несомненный интерес представляют сообщения о связи различных ферментативных активностей с присутствием в протеиноидах молекул различных типов. Так, протеиноиды, содержащие гистидин, характеризуются эстеразной активностью, а протеиноиды, содержащие гем,
- пероксидазной. Вместе с тем, как справедливо отмечает с. Фокс (Fox,
1980), между протеиноидными системами и настоящей жизнью лежит пропасть, так как они не могут осуществлять саморепродукцию. Эта трудность интерпретации не преодолена до сих пор.
С. Фокс и его сотрудники (обзоры: Fox, Dose, 1975; Fox, 1980) описали также самоорганизующиеся структуры - микросферы, напоминающие клетки.
Эти структуры появлялись, в частности, при медленном охлаждении образовавшихся при повышенной температуре концентрированных растворов протеиноидов.
Авторы полагают, что аминокислоты концентрировались в испаряющихся водоемах под влиянием тепла и потоков лавы или полимеризовались при высыхании под действием солнечных лучей. После дождя протеиноиды, возникшие в результате самосборки, могли образовывать микросферы, в первом приближении напоминающие примитивные клетки.
Последние представляли собой популяцию протоклеток, подвергавшихся отбору в

189 соответствии с их каталитическими активностями, необходимыми для первичного обмена веществ. С. Фокс (Fox, 1980) в своем известном обзоре привел подробный перечень свойств протеиноидных макромолекул и микросфер.
Микросферы - довольно однородные сферические капли диаметром около
2 мкм. При определенных значениях pH внешняя граница микросфер могла приобретать структуру, напоминающую мембрану, хотя липиды в микросферах отсутствуют. Микросферы могли распадаться, делиться или почковаться. Почки могли отделяться от основной микросферы и давать начало новому поколению микросфер. При слиянии микросфер, содержащих различные каталитические активности, возникали микросферы, обладающие исходными активностями. Эти наблюдения важны для понимания механизмов возникновения систем с многими функциями и имеют значение для понимания развития «сложной» жизни из элементов. Таким образом, микросферы являются самоорганизующимися системами и представляют собой полезные модели первых примитивных структур, напоминающих клетки. Сам факт, что микросферы и коацерватные капли обладают зачатками метаболизма, позволяет предполагать, что метаболизм мог служить первым этапом формирования жизни.

190
Таблица 9.1
Протоповеденческие свойства протеиноидов и протоклеток (по: Fox, 1980)
Свойства протеиноидов
Свойства микросфер, образованных из протеиноидов
Свойства микросфер
Агрегация
Протосоединение
Рекомбинация (протосекс)
Селективная коагрегация
Электропотенциал
Компартментализация
Электрофоретические
Ферментативные
Деление
Ферментативные
?
Метаболизм
Гормональные
Фотохимические
Протодвижение
Фотохимические
Диффузия
Осмотическое поведение
Проторост
Проторепродукция
Протосвязь
Старение
Защитные
Примечание. Все свойства, обсуждаемые здесь, рассматриваются как протоповеденческие, эволюирующие до современного поведения. - исследования не проводились.
Существование микросфер обычно характеризуется как «преджизнь», или
«прозябание»
(Уголев,
1985).
Следует обратить внимание на некоторые важные обстоятельства. Во-первых, при определенных условиях преджизнь, развиваясь, превратилась в жизнь. Во- вторых, на протяжении длительного времени (возможно, многих сотен миллионов лет) феномены преджизни и жизни сосуществовали, что важно для понимания как их баланса, так и эволюции жизни в целом.
Многие авторы обратили внимание на то, что микросферам свойственны функции, характерные для живых систем. Поэтому весьма привлекательно характеризовать эти первичные функции как протофункции.
Анализ процессов, реализуемых микросферами, показал, что они воспроизводят взаимодействия, которые с.
Фокс обозначил как протосекс
(протосексульные реакции). К протофункциям микросфер могут быть отнесены также протодвижение, протосвязь, проторепродукция
(проторазмножение), компартментализация, защитные свойства и др., охарактеризованные с. Фоксом в 1980 г. Кроме того, микросферы растут
(это характеризуется как проторост), стареют и погибают (табл. 9.1).
Мы ввели понятия прототрофии и протопепсии, имея в виду первичное питание и первичное пищеварение (Уголев, 1985). Мы также выделили два типа прототрофии. К первому из них может быть отнесена диффузия молекул (аминокислот, пептидов, сахаров) или частиц в протоклетки, ко второму - фузия, или слияние, двух протоклеток. Последний механизм во многом похож на первичный процесс размножения. Действительно, в обоих случаях имеет место слияние двух протоклеток с образованием одной

191 большего размера и интеграцией часто неоднородных элементов. Мы допустили, что некоторые протоклетки, богатые гидролитическими ферментами, будут активно лизировать другие протоклетки, являясь своеобразными протохищниками. Этим мы не хотели показать, что такие протохищники могли служить предками современных редуцентов. Важно другое - уже на заре жизни могли формироваться основные свойства и механизмы биосферы с ее трофическими цепями и взаимодействиями, переносом веществ и энергии и т.д. При этом, как упомянуто выше, трофические цепи начинали строиться «с конца», т.е. с дессимиляторной, а не с синтетической части цикла (первая уже создавалась абиогенным путем). На самых ранних этапах возникновения жизни, по-видимому, появилась дифференциация на утилизируемые организмы и организмы, утилизирующие биологические материалы.
Наконец, согласно нашей гипотезе, весьма важно, что способность к аутолизу у протоклеток при некоторых условиях могла трансформироваться в гетеролиз. Этот процесс, вероятно, был по-разному выражен в различных протоклетках.
В связи с этим появилась первичная дифференциация на так называемые клетки-протоаккумуляторы, накапливающие органические материалы, и клетки-проторедукторы, которые этот материал первично использовали.
При всех обстоятельствах возникали первичные примитивные трофические цепи.
Наиболее ранний этап возникновения жизни на Земле в современных теориях, как и в теории А.И. Опарина, заключался в формировании основных типов мономеров, составляющих основу биологических структур, т.е. аминокислот, моносахаридов, оснований нуклеиновых кислот, порфиринов и т.д. (рис.9.1). Вслед за этим должно происходить образование полимеров, характерных для живых систем (протеиноидов и некоторых других). Предбиологическая эволюция приводила к формированию примитивных клеток. С этого момента начинается биологическая эволюция, связанная с естественным отбором. Вероятно, образование первичных клеток явилось критическим моментом в эволюции жизни и тем рубежом, который разделял химическую эволюцию и биологическую. Именно клетка обладает рядом свойств, которые характеризуют истинную жизнь, и, По- видимому, именно на этом этапе сформировались основные универсальные функциональные блоки, в сжатой форме охарактеризованные в гл. 1
(рис.9.2).

192
Рис.9.1. Схема основных этапов молекулярной эволюции и происхождения жизни на Земле (по: Fox Dose, 1975).
Заслуживает внимания аналитико-исторический обзор Б.М. Кедрова и
К.Б. Серебровской (1980), в котором хорошо документировано мнение большинства исследователей. Авторы отмечают, что современная теория происхождения жизни - это теория возникновения структур, приобретающих при усложнении и развитии определенные функциональные свойства. По- видимому, эти свойства могут проявляться уже на ранних этапах эволюции, так как некоторые полимеры, особенно протеиноиды, обладают рядом характеристик, присущих жизни. Протеиноиды, организованные в микросферы, обладают уже многими свойствами клеток, в том числе прототрофией и ее первичными механизмами (протопепсией). Вероятно, уже на этом этапе (а может быть, еще ранее) началась организация живого в протобиосферу, что существенно для понимания закономерностей дальнейшей эволюции.

193 9.3.
Возникновение клеток
Предполагается, что этапом возникновения жизни на Земле следует считать период, когда сформировались простейшие клеточные системы, ставшие элементарной ячейкой живого.
Сведения, касающиеся этой проблемы, освещены в обзорах, посвященных происхождению жизни на Земле
(см. 9.1).
На ранних стадиях биологической эволюции последние протобионты и первые бионты поглощали из окружающей среды органические молекулы, синтезированные абиогенным путем. Таким образом, они были необычными существами - анаэробными абиоорганотрофами, использующими растворенные в первичном бульоне органические соединения. Предполагается, что со временем запасы абиогенного органического материала в древних водоемах истощались. Эти условия могли благоприятствовать тем клеткам, которые приобрели способность использовать простейшие неорганические соединения в качестве строительного материала, а солнечный свет и химическую энергию - в качестве источника энергии. В условиях истощения органического материала появились первые аутотрофные, или абиотрофные, клетки, способные использовать углекислый газ, и первые фотосинтезирующие клетки.
Раньше всего, возможно, возникли фотосинтезирующие гетеротрофы, использующие ультрафиолет (см. также гл. 1).
Первыми фотосинтезирующими клетками, способными выделять кислород, были синезеленые водоросли, возраст которых составляет около 3 млрд. лет. До их появления кислорода в атмосфере было очень мало или не было вообще. Фотосинтезирующие азотфиксирующие сине-зеленые водоросли - кульминационный момент адаптации к существованию в первобытных морях, лишенных органических углеродных и азотистых соединений. С появлением фотосинтезирующих клеток в качестве побочного продукта фотосинтеза в атмосферу стал освобождаться молекулярный кислород. С этого времени уровень кислорода в атмосфере возрастал до его современного значения.
В связи с этим произошло появление новых экологических ниш. При увеличении концентрации свободного кислорода стало возможным его использование в качестве высокоэффективного акцептора электронов в аэробном метаболизме. После появления в атмосфере кислорода, По- видимому, возникли аэробные клетки, которые могли вырабатывать на одну молекулу экзогенной глюкозы больше энергии, чем анаэробные организмы.
Завершающей стадией было развитие аэробного дыхания и окислительного фосфорилирования, составляющих основу биоэнергетики современных организмов.

194
Рис.9.2. Схема органической эволюции, демонстрирующая, что протеиноиды являются недостающим звеном между молекулярной эволюцией и эволюцией организмов на Земле (по: Fox, 1980, с нашими дополнениями).
Следующий скачок в эволюции - появление эукариотических клеток - произошел примерно 2 млрд. лет назад. Существует предположение, дискутируемое в последние годы, что эукариотические клетки появились благодаря симбиозу. Предполагается, что эукариоты произошли из крупных анаэробных прокариотических клеток, в которые вселились мелкие фотосинтезирующие прокариоты, становящиеся эндосимбионтами.
Тогда клетки-хозяева обеспечивали гликолитическое брожение, а клетки- симбионты - фотосинтез или дыхание. Такие эндосимбионты могли стать предшественниками хлоропластов и митохондрий современных клеток. В ходе биологической эволюции под воздействием различных факторов могли возникать изменения в нуклеотидной последовательности генома и происходить отбор наиболее приспособленных мутантов. На развитие аэробных позвоночных и сосудистых высших растений потребовалось более
1 млрд. лет. Человек появился около 1,5-2 млн. лет назад, человек современного вида (Homo sapiens) - примерно 40000 лет назад, а по некоторым данным еще раньше.
9.4.
Происхождение аутотрофии (абиотрофии) и гетеротрофии
Один из остро дискутируемых вопросов, возникающих при анализе происхождения жизни на Земле, это вопрос о пищевых источниках для первичных примитивных организмов, не способных к сложным синтезам.
Предполагается, что такие организмы использовали первичный бульон,

195 содержащий все необходимые мономеры.
По-видимому, первичные примитивные организмы не могли располагать сложным аппаратом, необходимым для фиксации азота и фотосинтеза. Скорее всего, они получали основные органические вещества в виде мономеров из источников небиологического происхождения. Вместе с тем до сих пор сохраняется альтернативное предположение, что примитивные формы жизни обладали способностью синтезировать органические соединения, необходимые для метаболизма.
Принимается, что и в ранний период существования Земли окружающая среда обогащалась метаболитами примитивных организмов. Возможно, как отмечал Дж. Моно (Monod, 1971), появились мутантные формы, которые утратили способность к некоторым синтезам и использовали метаболиты, выделяемые другими организмами.
Одна из ярких гипотез, объясняющих происхождение такого фундаментального и решающего для судьбы биосферы свойства, как питание, и в частности аутотрофия
(точнее, абиотрофия), была предложена Н. Горовицем еще в 1945 г. (Horowitz, 1945). Автор, как и другие исследователи, исходил из того, что первичные организмы были чрезвычайно примитивны и поэтому могли быть лишь гетеротрофами. Эта точка зрения, принятая уже на первых этапах развития теории происхождения жизни, сохраняет свое значение и до настоящего времени.
Из этой в целом справедливой посылки Н. Горовиц сделал совершенно неожиданный вывод. Он предположил, что так как запасы абиогенно синтезированных пищевых веществ не были бесконечны, то по мере исчерпания этих запасов у организмов должно происходить увеличение спектра собственных ферментов и способности к синтезам. В связи с тем что по мере истощения пищевых ресурсов конкуренция и давление отбора по этому признаку возрастали, то преимущества получали те организмы, у которых синтез недостающего вещества или его предшественника был наиболее выражен. Автор полагал, что исходные организмы должны были иметь в окружающей их среде (нутритивном бульоне) все не обходимые вещества как для энергетического обмена, так и для построения собственных структур. Так как истощение веществ в бульоне происходило постепенно, то так же постепенно развивалась способность производить недостающие вещества. Другими словами, гипотеза Н. Горовица позволяла построить картину, требовавшую постепенного, растянутого во времени усложнения организмов. Вполне возможно, что путем фузии, или слияния, протоклеток, обладающих наиболее выраженными эффективностями по разным признакам, могли возникать весьма совершенные структуры.
Такой принцип, названный автором ретроградной эволюцией, является несомненно

196 интересным и имеет значение не только для понимания жизни, но и более поздних этапов ее эволюции.
Постепенно на основе описанного принципа могли сформироваться многие метаболические цепи. При этом формирование таких цепей, как справедливо отмечает Э. Брода (Broda, 1978), могло происходить в результате включения в них ферментов, первоначально относившихся к другим цепям. Именно так образовалась система трикарбоновых кислот - метаболический цикл
Кребса.
По мере обеднения водной среды нутриентами, по крайней мере, у некоторых организмов могли сформироваться системы, позволяющие использовать в качестве источника органического материала CO
2
и воду, а в качестве источника энергии свет или химическую энергию некоторых веществ.
Мы полагаем, что Н. Горовиц недостаточно обоснованно связал свой принцип с формированием в первую очередь анаболических механизмов.
Первичная гетеротрофия на основе принципа использования побочных эффектов обеспечила формирование ряда катаболических механизмов. Те же системы способствовали развитию первичных пищеварительных процессов.
Итак, если предположить, что формирование жизни начиналось с предельно простых систем, как того требует логика, то следует признать, что эти системы должны использовать готовый строительный
(пластический) материал. Другими словами, такие системы должны быть гетеротрофными. Самые древние организмы получали органические вещества в виде мономеров из окружающей среды и конденсировали их, преобразуя в структуры своего тела, о чем мы говорили ранее. Но в последнее время появилось довольно много сведений, что вполне возможен абиотический синтез полимеров или по крайней мере олигомеров. Это означает, что первичные организмы могли включать в состав своего тела поли- и олигомеры.
Таким образом, наиболее древними организмами (назовем их условно) были первичные гетеротрофы. Эта точка зрения согласуется с данными, касающимися происхождения жизни на Земле (см. 9.1). При благоприятных условиях уже на этой стадии развития излишки органического материала могли накапливаться в виде своеобразных депо. Возможно, эти депо не были четко дифференцированы, а представляли собой клеточные структуры, используемые при недостаточном притоке органических веществ из окружающей среды.
Для мобилизации этих
«протодепо» служили гидролитические ферменты, наиболее древние из всех известных (см. гл.1). Эта точка зрения была первоначально высказана нами еще в 1961 г. (Уголев, 1961). Значительно позднее возникло питание за счет сложных полимерных веществ органического происхождения, требовавшее

197 наличия пищеварительных процессов, которое можно было бы охарактеризовать как вторичную гетеротрофию. Ферменты, мобилизующие депо, а также некоторые другие гидролазы и явились, по-вилимому, исходным материалом для формирования первичного пищеварения.
Оставалось допустить, что гидролазы, первично выполняющие функцию мобилизации депо, постепенно начинали осуществлять также функцию гидролиза пищевых полимеров, находящихся в окружающей среде. Тогда гидролиз пищевых веществ, находящихся в среде, за счет поступающих туда ферментов можно было бы рассматривать как первичное внеклеточное пищеварение, гидролиз субстратов, проникающих в организм, - как первичное внутриклеточное пищеварение, а расщепление веществ, контактирующих с поверхностью примитивных живых систем,
- как первичное мембранное пищеварение.
В зависимости от многих обстоятельств каждый из этих типов пищеварения у определенных групп организмов мог стать доминирующим.
Итак, при всех обстоятельствах первичными были гетеротрофы, не обладающие пищеварением.
Аутотрофия
(абиотрофия)
- вторичный, сравнительно поздно появившийся признак. Он возник тогда, когда гетеротрофные организмы разделились на организмы, поглощающие первичный бульон, и организмы, поглощающие первичные организмы. Так появилось первичное хищничество. Весьма вероятно, что в то же время сформировался и первичный сапрофитизм в виде использования погибающих организмов, особенно тех, которые подвергались аутолизу. Важно, что аутолиз усиливался в результате действия ферментов активных протохищников.
Наконец, за счет систем гетеро- и абиотрофии реализовались трофические взаимодействия, благодаря которым возможно формирование динамического единства биосферы.
9.5.
Структура, происхождение и эволюция круговоротов и трофических цепей
Жизнь со времени своего возникновения сформировалась как цепной процесс. Что касается трофических цепей, то, как мы упоминали ранее, они образовались «с конца», т.е. с редуцентов - организмов, которые превращали первичные абиотически синтезированные вещества в неорганические. Предполагается, что синтезы различных биологических органических веществ возникали постепенно в результате выживания организмов, приспосабливавшихся к истощению запасов все большего числа типов абиогенных органических молекул. Таким образом, постепенно в ходе эволюции происходило построение трофической цепи, начиная с редуцентов и кончая фото- и минералзависимыми абиотрофами (см. гл.1).

198


перейти в каталог файлов