Естественные технологии биологических систем

Питание — одна из центральных проблем, решение которой составляет предмет постоянных забот человечества. Эта проблема актуальна для большинства биологических наук. Однако первоначально наука о питании имела антропоцентрический подход и формировалась как теория и практика питания человека.

Как говорил И.П. Павлов в своей Нобелевской речи (1904), кусок хлеба насущного является, был и останется одной из самых важных проблем жизни, источником страданий, иногда удовлетворения, в руках врача — могучим средством лечения, в руках людей несведущих — причиной заболеваний. По-видимому, едва ли не самое большое заблуждение — убеждение в том, что вопрос правильного питания человека может быть решен путем создания- достаточного количества качественных пищевых продуктов. Обширный анализ свидетельствует, что свободный выбор таких продуктов в большинстве случаев приводит к нарушениям структуры питания, которые в зависимости от многих гено- и фенотипических характеристик провоцируют развитие тяжелых заболеваний (табл. 2). Различные формы патологии, вызванные неправильным питанием, распространены гораздо шире, чем сердечно-сосудистые заболевания и злокачественные опухоли, в происхождении которых дефекты питания также играют немаловажную роль. Не исключено, что в значительной мере заболевания, связанные с нарушениями питания, обусловлены неправильным вскармливанием детей на ранних стадиях онтогенетического развития.

Синдромы, связываемые преимущественно с нарушениями питания

Следует иметь в виду, что в области теории питания многое остается неизвестным. Именно поэтому представляется необходимым охарактеризовать современные достижения науки, важные для лучшего понимания этой проблемы.

В истории науки известны две теории питания. Первая возникла во времена античности, вторая — классическая, часто называемая теорией сбалансированного питания, появилась более 200 лет назад и сформировалась в конце XIX—первой половине XX в. Эта теория, доминирующая в настоящее время, пришла на смену античной и является одним из самых замечательных достижений экспериментальной биологии и медицины.

3.1. Античная и классическая теории питания

Античная теория питания связана с именами Аристотеля и Галена и является частью их представлений о живом. Согласно этой теории, питание организма происходит за счет крови, которая непрерывно образуется из пищевых веществ в результате сложного процесса неизвестной природы, в некотором отношении сходного с брожением. В печени происходит очистка этой крови, после чего она используется для питания органов и тканей. На этом основании строились многочисленные лечебные диеты, призванные обеспечить более легкое превращение пищи в кровь и лучшие свойства последней. Видное место занимало представление о нарушениях состава крови, а кровопускание считалось эффективным методом лечения.

С классической теорией сбалансированного питания связаны распространенные представления об идеальной пище и оптимальном сбалансированном питании. Эти представления опирались на балансные подходы к оценке и режиму питания, сохраняющие свое значение и в настоящее время. В упрощенном виде такие подходы сводились к тому, что в организм должны подаваться вещества такого молекулярного состава, который компенсирует их расход и потери, обусловленные основным обменом, внешней работой, а для молодых организмов еще и ростом, характерным этапом жизненного цикла.

Классическая теория может быть сведена к нескольким фундаментальным постулатам: 1) идеальным считается питание, при котором поступление пищевых веществ соответствует их расходу; 2) поступление пищевых веществ обеспечивается в результате разрушения пищевых структур и всасывания полезных веществ — нутриентов, необходимых для метаболизма, пластических и энергетических потребностей организма; 3) утилизация пищи осуществляется самим организмом; 4) пища состоит из нескольких компонентов, различных по физиологическому значению: нутриентов, балластных веществ (от которых она может быть очищена) и вредных, токсических, соединений; 5) метаболизм организма определяется уровнем аминокислот, моносахаридов, жирных кислот, витаминов и некоторых солей, следовательно, можно создать так называемые элементные (мономерные) диеты. (Особенно привлекательными такие диеты кажутся в качестве идеальной пищи будущего, когда благодаря химическим технологиям и вычислительной технике можно будет точно контролировать ее молекулярный состав и, более того, менять его в соответствии с возрастом организма, его функциональным состоянием, состоянием здоровья, типом работы, климатическими условиями и т.д.); 6) многие нутриенты, способные к всасыванию и ассимиляции, освобождаются в результате ферментативного гидролиза сложных органических продуктов за счет внеклеточного (полостного) и внутриклеточного пищеварения. При этом усвоение пищевых веществ происходит в два этапа: полостное пищеварение—всасывание.

Теория сбалансированного питания лежит в основе всех современных представлений о питании и служит базисом пищевых технологий. Она позволила дать научное обоснование потребностям в пище по энергетическим и пластическим компонентам, преодолеть многие нутритивные дефекты и болезни, связанные с недостатком витаминов, незаменимых аминокислот, микроэлементов и т.д. На ее основе созданы различные пищевые рационы для всех групп населения с учетом физических нагрузок, климатических и других условий жизни, обнаружены неизвестные ранее незаменимые аминокислоты, витамины, микроэлементы и т.д. На ней базируются все промышленные, агротехнические и медицинские мероприятия, которые сводятся к тому, что улучшение свойств пищевых продуктов может быть достигнуто за счет увеличения содержания нутриентов на фоне уменьшения доли балластных веществ. На этом построены технологии современной переработки продуктов животноводства и растениеводства, в том числе зерновых культур.

Вместе с тем следствием теории сбалансированного питания было несколько чрезвычайно серьезных ошибок. Первая из них — создание улучшенной пищи за счет обогащения пищевых продуктов веществами, непосредственно участвующими в обмене веществ, а также удаление балластных и вредных соединений. Поэтому современные хлеб, крупы, масло, сахар, соки и многие другие продукты питания рафинированы. Однако этот путь ведет к формированию многих, подчас тяжелых нарушений, которые могут быть охарактеризованы как болезни цивилизации.

Вторая ошибка — элементное (мономерное) питание. Идея сделать пищу максимально полезной уже в XIX в. трансформировалась в идею создать комплекс веществ, необходимых для поддержания жизни и не нуждающихся в переработке, корректировке состава и т.д. Предполагалось перейти к промышленному изготовлению идеальной пищи, состоящей из оптимальных смесей всасываемых элементов, преимущественно мономеров. Третья ошибка — прямое (парентеральное) питание. Существует представление, сформулированное в 1908 г. великим французским химиком П.-Э.-М. Бертло, что одна из главных задач будущего — прямое введение в кровь нутриентов, минуя желудочно-кишечный тракт.

И наконец, ошибки в режиме питания. Рекомендации теории сбалансированного питания сводились к тому, чтобы режим питания обеспечивал поступление сбалансированных пищевых веществ через различные промежутки времени, не допускающие их больших потерь. Режим питания — та область теории сбалансированного питания, в которой были сделаны наименьшие ошибки, но принесена и наименьшая польза.

Таким образом, классическая теория стимулировала развитие важных теоретических и практических построений. Она постулировала не только идеи, касающиеся оптимизации питания и создания в конечном итоге идеальной пищи, но и легла в основу разработок идеального питания и его режима. Однако экспериментальная проверка ряда ее положений с учетом мембранного пищеварения и новых достижений науки привела к пересмотру основных постулатов. Действительно, балансный подход и вытекающая из него идея рафинированной (безбалластной) пищи, по-видимому, принесли существенный вред. Так, уменьшение доли овощей и фруктов в рационе, использование очищенных злаковых культур, рафинированных продуктов и т.д. способствовало развитию многих заболеваний, в том числе желудочно-кишечного тракта, печени, желчных путей, нарушений обмена, возникновению ожирения и т.д. Был сделан также ряд ошибочных заключений о путях оптимизации питания. Следовательно, во время наибольших успехов классической теории зарождался и усиливался ее кризис, который привел к появлению новой теории питания.

В настоящее время формируется теория питания, названная мною теорией адекватного питания, которая включает в себя классическую, как важную составную часть. Для того чтобы понять различия между этими двумя теориями и почему классическая становится важной частью более общей теории адекватного питания, необходимо охарактеризовать и сопоставить их основные положения, теоретические следствия и практические рекомендации.

3.2. Теория адекватного питания

Кризис теории сбалансированного питания и открытие некоторые важных, ранее неизвестных механизмов (лизосомного и мембранного типов пищеварения, различных типов транспорта, общих эффектов кишечной гормональной системы); результаты сопоставления ряда характеристик безмикробных животных и животных, в организм которых вводились контролируемые бактериальные культуры; данные прямых исследований влияния элементных диет на организм и т.д. привели к пересмотру ее основных положений. Такая ревизия позволила сформулировать новую теорию адекватного питания (этот процесс еще далеко не завершен), в основу которой легли новые постулаты основополагающего значения: 1) питание поддерживает молекулярный состав и возмещает энергетические и пластические расходы организма на основной обмен, внешнюю работу и рост (этот постулат является общим для классической и новой теорий питания); 2) необходимыми компонентами пищи служат не только нутриенты, но и балластные вещества; 3) нормальное питание обусловлено не одним потоком нутриентов из желудочно-кишечного тракта, а несколькими потоками нутритивных и регуляторных веществ, имеющих жизненно важное значение; 4) в метаболическом и особенно трофическом отношениях ассимилирующий организм рассматривается как надорганизм; 5) существует эндоэкология организма-хозяина, образуемая микрофлорой его кишечника; 6) баланс пищевых веществ достигается в результате освобождения нутриентов из структур пищи при ферментативном расщеплении ее макромолекул за счет полостного и мембранного пищеварения (в ряде случаев внутриклеточного), а также вследствие синтеза новых веществ, в том числе незаменимых. Относительная роль готовых первичных и вторичных нутриентов варьирует в широких пределах. Все перечисленные постулаты теории адекватного питания взаимосвязаны и образуют совокупность новых представлений, подходов, исследований и технических приемов.

Перейдем к последовательному описанию основных положений теории адекватного питания и их сопоставлению с представлениями классической теории сбалансированного питания. Прежде всего рассмотрим основные потоки, поступающие из пищеварительного тракта во внутреннюю среду организма, с позиций этих двух теорий.

В соответствии с обеими теориями, из желудочно-кишечного тракта во внутреннюю среду организма направлен поток нутриентов. Однако согласно теории сбалансированного питания, для поддержания жизнедеятельности организма необходим лишь этот поток (рис. 14), тогда как с позиций теории адекватного питания помимо основного потока нутриентов из пищеварительного аппарата во внутреннюю среду поступает по крайней мере еще 5 потоков, важность которых теорией сбалансированного питания недооценивалась: поток гормонов и других физиологически активных факторов; три потока бактериальных метаболитов; поток веществ, поступающих с загрязненной пищей (рис. 15).

Рис. 14. Схема потоков веществ из желудочно-кишечного тракта по внутреннюю среду организма в соответствии с теорией сбалансированного питания.

Пищевые продукты при пищеварении разделены на всасываемые вещества (нутриенты) и балласт.

Рис. 15. Схема потоков веществ из желудочно-кишечного тракта во внутреннюю среду организма в соответствии с теорией адекватного питания. В дополнение к потокам, указанным на рис. 14, при обработке балластных веществ формируются вторичные нутриенты, токсины, экзогормоны; пища стимулирует выделение кишечных гормонов.

Поток нутриентов. Обязательное условие ассимиляции пищи — разборка ее сложных структур до простых соединений, которая происходит в процессе пище

варения. При этом освобождаются мономеры (аминокислоты, моносахариды, жирные кислоты и т.д.), лишенные видовой специфичности и преимущественно одинаковые для всех живых организмов. В некоторых случаях могут образовываться олигомеры (ди-, три- и изредка тетрамеры), которые также могут быть ассимилированы. У низших организмов, в частности у бактерий, транспорт нерасщепленных олигомеров широко распространен. У высших организмов такой транспорт

продемонстрирован на примере дипептидов. В соответствии с теорией сбалансированного питания усвоение пищевых веществ реализуется в два этапа: полостное пищеварение—всасывание. Внутриклеточное пищеварение играет значительную роль, тогда как в рамках теории адекватного питания усвоение пищи происходит в три этапа: полостное пищеварение—мембранное пищеварение—всасывание (с определенным компонентом внутриклеточного гидролиза).

Поток гормонов и других физиологически активных веществ. Существование этого потока из желудочно-кишечного тракта во внутреннюю среду организма не укладывается в схему теории сбалансированного питания и значительно меняет наши представления о механизмах ассимиляции пищи. В сущности, поток физиологически активных факторов состоит из двух потоков — эндогенного и экзогенного. Эндогенный поток содержит гормоны и -другие физиологически активные вещества, продуцируемые эндокринными клетками желудочно-кишечного тракта. Эти клетки секретируют около 30 гормонов и гормоноподобных субстанций, контролирующих не только функции пищеварительного аппарата, но и важнейшие эндокринные и метаболические функции организма в целом. В частности, в конце 50-х—начале 60-х гг. нами показано, что частичная или полная резекция двенадцатиперстной кишки приводит к развитию тяжелого заболевания, названного «синдром дуоденальной недостаточности». При этом заболевании преобладают общие, а не местные нарушения функций организма, а также наблюдаются выраженные структурные изменения щитовидной железы, коры надпочечников, гипоталамо-гипофизарной нейросекреторной системы и др. После такой операции, приводящей к частичному или полному выключению функций двенадцатиперстной кишки (скорее всего ее эндокринной системы), происходит также нарушение специфического динамического действия пищи — цикла реакций, необходимых для нормального усвоения пищи. Наконец, после дуоденэктомии нарушается система реакций, обеспечивающих защиту организма от связанных с питанием иммунологических агрессий, что приводит к возникновению аллергий на пищевые продукты.

Благодаря эндокринной системе желудочно-кишечного тракта реализуется связь: 1) между поступлением пищи и системами, контролирующими ее ассимиляций; 2) между системами, реализующими поглощение пищи и ее переработку; 3) между системами, обеспечивающими переработку пищи в желудочно-кишечном тракте, и системами, предохраняющими организм от поступления в его внутреннюю среду чужеродных антигенов.

Недавно показано, что эндокринные клетки желудочно-кишечного гранта продуцируют тиреотропный гормон и АКТГ — гормоны, типичные для гипоталамуса и гипофиза, а клетки гипофиза — гастрин. Таким образом, по некоторым гормональным эффектам гипоталамо-гипофизарная и желудочно-кишечная системы оказались родственными, что не могла учитывать теория сбалансированного питания. Существуют данные, что клетки желудочно-кишечного тракта секретируют некоторые стероидные гормоны. Роль пищеварительного аппарата как эндокринного органа еще более проясняется в связи с открытием эндогенных морфинов (эндорфинов и энкефалинов), обладающих морфиноподобным действием. Оказалось, что такие эндогенные опиаты вырабатываются но только клетками мозга, но и клетками пищеварительной системы.

Экзогенный поток физиологически активных факторов состоит преимущественно из специфических веществ, образуемых при гидролизе пищи. Так, при расщеплении пепсином белков молока и пшеницы образуются морфиноподобные вещества, получившие название экзорфинов, т.е. натуральных морфиноподобных соединений, появляющихся при естественном переваривании пищевых продуктов. Не исключено, что образующиеся при гидролизе белков пептиды могут в некоторых количествах проникать в кровь и принимать участие в модуляции общего гормонального фона организма. Можно допустить также, что некоторые пептиды, в том числе образующиеся при нормальном пищеварении определенных компонентов пищи, выполняют регуляторные функции. К таким пептидам несомненно принадлежит казморфин. По-видимому, поток экзогенных веществ очень важен.

Таким образом, питание не просто акт приема пищи и обогащение организма нутриентами. Одновременно существует сложнейший поток гормональных факторов, участие которых в регуляции ассимиляции пищи крайне существенно, а может быть, и жизненно необходимо.

Потоки бактериальных метаболитов. При участии бактериальной флоры кишечника формируются три потока. Один из них — поток нутриентов, модифицированных микрофлорой (например, амины, возникающие при декарбоксилировании аминокислот), другой — поток продуктов жизнедеятельности бактерий и третий — поток модифицированных бактериальной флорой балластных веществ, в который входят вторичные нутриенты. В этих потоках имеются полезные вещества (витамины, незаменимые аминокислоты и др.), вещества, которые при сегодняшнем уровне знаний считаются индифферентными, и токсические соединения. Именно наличие токсических соединений породило еще сравнительно недавно популярную идею целесообразности подавления кишечной микрофлоры. Однако, возможно, токсические вещества, если их количество не переходит определенных границ, физиологичны.

Некоторые токсические вещества, например токсические амины, образующиеся в пищеварительном аппарате под влиянием бактериальной флоры, заметно влияют на состояние организма (табл. 3). Высокой физиологической активностью обладают такие амины, как кадаверин, октопамин, тирамин, пиперидин, диметиламин, гистамин и др. При различных заболеваниях, в частности дисбактериозах, уровень аминов может возрастать и быть причиной нарушений ряда функций организма. Продукция аминов может быть подавлена антибиотиками.

Уровень аминов преимущественно бактериального происхождения в моче

По-видимому, в ходе эволюции некоторые токсические амины включились в регуляторные системы организма. В качестве примера можно привести гистамин. Как известно, гистамин продуцируется преимущественно клетками желудка, морфологически сходными с тучными, и контролирует ряд функций гипоталамо-гипофизарной системы, секрецию соляной кислоты и способствует образованию язв желудка. Кроме эндогенного гистамина существует экзогенный, образующийся преимущественно в кишечнике в результате бактериальной активности. Многие патологические изменения в организме провоцируются не за счет гиперфункции клеток желудка, вырабатывающих гистамин, а благодаря его избыточному образованию в кишечнике бактериальной флорой. Поэтому применение антибиотиков ведет к ряду сдвигов гормонального статуса организма.

Что касается вторичных нутриентов, образующихся из балластных веществ за счет преимущественно бактериального метаболизма, то в них входят значительные количества витаминов, незаменимых аминокислот, углеводов, жиров и т.д. Физиологическая важность вторичных нутриентов доказывается тем, что безмикробные животные, у которых нарушена способность перерабатывать балластные вещества, чрезвычайно чувствительны к колебаниям состава пищи, тогда как обычные весьма устойчивы к ним. О физиологической важности вторичных нутриентов свидетельствует резкое повышение потребности в витаминах у человека и животных, у которых бактериальная флора подавлена антибиотиками.

Кроме перечисленных потоков существует поток веществ, поступающих с загрязненной в результате различных промышленных технологий пищей или из загрязненной среды.

Идея относительно улучшения пищи путем удаления балластных веществ основана на теории сбалансированного питания. Однако в действительности так называемое улучшенное, или рафинированное, питание послужило причиной многих распространенных заболеваний (табл. 2). В ходе эволюции питание сформировалось как некая естественная технология, в которой используются не только утилизируемые, по и неутилизируемые компоненты пищи. Особенно это касается таких неутилизируемых балластных веществ, как пищевые волокна. К последним относятся полисахариды — целлюлоза, гемицеллюлоза, пектин, лигнин и др., присутствующие в овощах, фруктах, злаках и ряде других продуктов. Пищевые волокна играют роль в нормализации деятельности желудочно-кишечного тракта, влияют на его моторную активность, скорость всасывания пищевых веществ в тонкой кишке, давление в полости органов пищеварительного аппарата, электролитный обмен в организме, массу и электролитный состав фекалиев и т.д. Наконец, пищевые волокна влияют на среду обитания бактерий в кишечнике и являются для них одним из важных источников питания.

Пищевые волокна необходимы не только для работы пищеварительного. аппарата, но и всего организма. Например, показана связь между нарушениями холестеринового обмена, образованием камней в желчном пузыре и широким распространением в развитых странах рафинированных рационов. Ошибки в структуре питания, и в частности потребление рафинированных продуктов, стали одной из причин развития многих тяжелых заболеваний у человека. Ряд нарушений, в том числе атеросклероз, гипертония, диабет, во многих случаях результат не только чрезмерного потребления белков и углеводов, но и следствие недостаточного использования балластных веществ.

Существуют сведения, что отсутствие пищевых волокон в диете может провоцировать рак толстой кишки. При отсутствии пищевых волокон нарушается не только обмен желчных кислот, но также холестерина и стероидных гормонов.

Многие формы патологии желудочно-кишечного тракта и обмена веществ поддаются профилактике и лечению благодаря пищевым волокнам, введенным в рацион. Так, эти волокна могут повышать толерантность к глюкозе и модифицировать ее всасывание, что может быть использовано для предупреждения и лечения диабета, гипергликемии и ожирения. Увеличение количества пищевых волокон в рационе снижает уровень холестерина в крови, что связано с участием волокон в кругообороте желчных кислот. Показан также антитоксический эффект растительных волокон.

Итак, на основе теории сбалансированного питания были сделаны попытки создать улучшенную и обогащенную пищу за счет удаления балластных веществ, что привело в ряде стран к развитию многих заболеваний — болезней цивилизации. В настоящее время интенсивно разрабатывается противоположное направление — ведутся поиски и создается адекватная пища, соответствующая потребностям организма, возникшим в ходе эволюции.

Согласно теории сбалансированного питания, заселение бактериальной флорой пищеварительного тракта высших организмов — нежелательный и в определенной мере вредный побочный эффект. Однако бактериальная флора кишечника не только не вредна, но необходима для нормального развития физиологических функций организма. Ее подавление часто приводит к сдвигу метаболического баланса организма. Высший организм реально существует как надорганизм, состоящий из доминирующего многоклеточного организма и специфической бактериальной поликультуры. Между ними существует обмен метаболитами, в состав которых входят нутриенты, различные неорганические компоненты, стимуляторы, ингибиторы, гормоны и другие физиологически активные соединения. Вероятно, такая форма сосуществования макро- и микроорганизмов — древнее эволюционпое приобретение. Оказалось, что безмикробные животные в метаболическом, иммунологическом и нейрологическом отношениях резко отличаются от обычных и должны быть охарактеризованы как неполноценные. Бактериальная флора служит своеобразным трофическим гомеостатом, или трофостатом, обеспечивающим разрушение некоторых избыточных компонентов пищи и образование недостающих продуктов.

Деятельность бактериальной флоры кишечника может быть нарушена при ряде специфических и неспецифических воздействий (рис. 16), в том числе при изменении диеты, при заболеваниях пищеварительного аппарата, при некоторых терапевтических мероприятиях (особенно при использовании антибиотиков), при воздействии различных экстремальных факторов (например, при стрессах, в том числе эмоциональных, при специальных условиях и т.д.). Дисбактериозы, возникающие по разным причинам, в частности вследствие применения антибиотиков, провоцируют многие вторичные нарушения.

Рис. 16. Схема соотношения первичных нутриентов и бактериальных метаболитов при физиологических (А) и патологических (Б) состояниях организма (дефекты переваривания и всасывания).

Формирование представлений о бактериальной флоре, шире говоря — об эндоэкологии, т.е. внутренней экологии человека и других Многоклеточных организмов, имеет фундаментальное значение. Кишечная флора — необходимый атрибут существования сложных организмов, а ее сохранение и предупреждение загрязнения — одна из важных проблем биологии и медицины.

Идея элементного (мономерного) питания, возникшая в конце XIX—начале XX в. и вытекающая из теории сбалансированного питания, сводилась к тому, что потребляемую нами пищу следует заменить легкоусвояемыми мономерами, имитирующими смесь всасываемых продуктов питания — белков, углеводов, жиров и др. Предполагалось, что такая пища позволит удовлетворять потребности человека в точном соответствии с особенностями его обмена. Более того, предполагалось, что человеку в зависимости от возраста, функционального состояния организма, вида деятельности можно вводить различные аминокислоты и другие компоненты рациона, а в случае заболеваний — компенсировать их недостаток. В 60—70-х гг. было предложено несколько элементных диет (табл. 4). Появилась надежда, что они окажутся основными при космических полетах.

Основной состав элементной диеты, предложенной американским исследователем М. Уинитцем и сотрудниками в 1970 г.

Однако с позиций теории адекватного питания элементные диеты дефектны прежде всего потому, что нарушают свойства и соотношения нутритивного, трофического и токсического потоков вследствие выпадения защитных функций мембранного пищеварения и изменения эндоэкологии. У моногастричных организмов (в том числе у человека) питание бактерий построено на использовании преимущественно неутилизируемых или медленно утилизируемых макроорганизмом компонентов пищи. Мембранное пищеварение, реализуемое ферментами, локализованными в недоступной бактериям щеточной кайме, предотвращает поглощение ими нутриентов и обеспечивает стерильность процесса. Сравнение величины бактерий, населяющих тонкую кишку, с порами между микроворсинками и размерами сети гликокаликса (см. гл. 5) показывает, что щеточная кайма представляет собой специфический бактериальный фильтр, с помощью которого заключительные этапы гидролиза пищевых веществ отделяются от заселенной бактериями полости тонкой кишки. Стерильность мембранного пищеварения можно рассматривать как приспособление макроорганизма к сосуществованию с кишечной бактериальной флорой и как фактор, обеспечивающий преимущественное поглощение нутриентов макроорганизмом. Если же пища вводится в организм в виде мономеров, то мембранное пищеварение как защитный механизм не функционирует. В этом случае бактерии оказываются в чрезвычайно благоприятных условиях для их размножения в результате избытка легкоусвояемых элементов в полости тонкой кишки. Это приводит: 1) к нарушению эндоэкологии макроорганизма; 2) к увеличению потока токсических веществ; 3) к потере макроорганизмом ряда веществ, в том числе необходимых. При мономерном питании нами, а затем многими другими исследователями зарегистрированы дисбактериозы и дополнительное дезаминирование аминокислот.

Далее, из-за высокой осмотической активности элементных диет нарушается распределение жидкости между кровью и кишечной средой в результате ее перехода из крови в кишечник. Наконец, элементные диеты приводят к резкому снижению функциональной нагрузки на ферментные системы желудочно-кишечного тракта, что сопровождается нарушением синтеза ряда необходимых ферментов.

Однако при некоторых формах заболеваний и в определенных условиях элементные и безбалластные диеты могут быть весьма полезными. В частности, при врожденпых и приобретенных дефектах ферментных систем тонкой кишки наиболее целесообразно исключить из пищи те молекулы (например, лактозу, сахарозу и др.), гидролиз которых нарушен. Элементные диеты могут быть использованы при различных экстремальных воздействиях, вызывающих нарушения деятельности желудочно-кишечного тракта. Как правило, для стресса характерен отрицательный азотистый баланс за счет стрессорного глюконеогенеза. Мы получили результаты, расширяющие классические представления о происхождении отрицательного азотистого баланса. Нами обнаружено, что при стрессе наблюдается торможение включения ряда пищеварительных ферментов, реализующих мембранное пищеварение углеводов и особенно белков, в состав апикальной мембраны кишечных клеток. Таким образом, при стрессе отрицательный азотистый баланс обусловлен не только разрушением, но и недостаточным поступлением аминокислот во внутреннюю среду организма. Следовательно, при различных видах стресса существует эффективный путь коррекции белкового обмена за счет введения в рацион вместо белков, которые не усваиваются, имитирующих эти белки аминокислотных смесей. Использование последних целесообразно также при аварийных ситуациях, при хирургических вмешательствах (в пред- и послеоперационный периоды), при травмах, в условиях недостатка белков и т.д.

По представлениям П.-Э.-М. Бертло, парентеральное питание человека должно быть весьма перспективным. По мнению сторонников этой идеи, парентеральное питание приведет к постепенной атрофии желудочно-кишечного тракта и будет стимулировать формирование более совершенного человека. Однако принимая во внимание эндоэкологию кишечника, эта идея представляется крайне уязвимой. Действительно, из-за отсутствия нутриентов нарушается бактериальная флора кишечника со всеми вытекающими отсюда отрицательными последствиями. Существуют и другие причины, из-за которых рассматривать парентеральное питание как физиологическое невозможно. Прямое введение в кровь глюкозы в количествах, удовлетворяющих пищевые потребности организма, вызывает резкое нарушение гомеостаза и перенапряжение инсулярного аппарата, что служит причиной многих форм патологии. Например, в результате перенапряжения инсулярного аппарата создаются благоприятные условия для развития диабета. Наконец, желудочно-кишечный тракт выполняет важную функцию не только трансформации пищевых веществ в усвояемые организмом формы, но и депонирования пищи. Введение нутриентов в кровь должно приводить к нарушению функций депонирующих систем и механизмов (нервных и гормональных), их контролирующих.

Вместе с тем при так называемой экстренной терапии и экстренной хирургии, а также при различных формах патологии производится капельное введение глюкозы в вену больному. Однако если глюкозу заменить мальтозой (дисахаридом, состоящим из двух молекул глюкозы), которая расщепляется ферментами, связанными с мембраной клеток печени, почек, капилляров и т.д., то образующаяся глюкоза будет хорошо утилизироваться, по-видимому, в тех участках, где она освобождается при гидролизе мальтозы. В результате этого будет достигаться снабжение организма глюкозой без перенапряжения инсулярного аппарата, без изменения ее уровня в крови и тяжелого дисбаланса. Кроме того, будет происходить уменьшение осмотической нагрузки в два раза. Таким образом, открываются новые возможности для внутривенного питания.

Теория адекватного питания придает большое значение системам защиты организма от проникновения различных вредных веществ. Поступление пищи в желудочно-кишечный тракт следует рассматривать не только как способ восполнения энергетических и пластических материалов, но и как аллергическую и токсическую агрессию. Лишь благодаря сложной системе защиты негативные стороны питания эффективно нейтрализуются.

Существует несколько механизмов, предупреждающих поступление токсических веществ и антигенов из кишечной среды во внутреннюю, два из них — трансформационные. Один из таких трансформационных механизмов связан с гликокаликсом, который непроницаем для многих крупных молекул. Исключением служат молекулы, подвергающиеся гидролизу ферментами (панкреатические амилаза, липаза, протеазы), адсорбированными в структурах гликокаликса. В связи с этим контакт вызывающих аллергическую и токсическую реакции нерасщепленных молекул с клеточной мембраной затруднен, а молекулы, подвергающиеся гидролизу, утрачивают антигенные и токсические свойства. Другой трансформационный механизм обусловлен ферментными системами, локализованными на апикальной мембране кишечных клеток и осуществляющими расщепление олигомеров до мономеров, способных к всасыванию. Таким образом, ферментные системы гликокаликса и липопротеиновой мембраны служат барьером, предупреждающим поступление и контакт крупных молекул с плазматической мембраной. Существенную роль могут играть внутриклеточные дипептидазы, рассмотренные нами как дополнительный барьер и как механизм защиты от физиологически активных соединений.

В кишечнике имеется также иммунная система, представленная пейеровыми бляшками тонкой кишки (около 200—300 у взрослого человека) и лимфоидной системой червеобразного отростка толстой кишки. Для понимания механизмов защиты важно, что в кишечной слизистой содержится более 400 000 плазматических клеток в расчете па 1 мм³ слизистой и около 1 млн. лимфоцитов в расчете на 1 см² слизистой. В норме в тощей кишке человека содержится от 6 до 40 лимфоцитов на 100 эпителиальных клеток. Это означает, что кроме эпителиального слоя, разделяющего кишечную и внутреннюю среды организма, существует еще мощный лейкоцитарный слой.

Следовательно, хотя слизистая пищеварительного тракта потенциально является областью, через которую возможно проникновение антигенных и токсических субстанций во внутреннюю среду организма, здесь же действует эффективная дублированная система защиты, включающая в себя как пассивные (механические), так и активные защитные факторы. При этом в кишечнике взаимодействуют системы, продуцирующие антитела, и системы клеточного иммунитета. Нужно добавить, что защитные функции печеночного барьера, реализующего с помощью купферовых клеток поглощение токсических веществ, дополняются системой антитоксических реакций в эпителии тонкой кишки. Таким образом, способностью к обезвреживанию токсинов, поступающих из желудочно-кишечного тракта, обладают по меньшей мере две системы, одна из которых локализована в печени, а другая в кишечнике.

Эта проблема — следствие теории сбалансированного питания. Идеальной считается такая пища, которая наиболее точно возмещает потери веществ и энергии по составу и временной динамике. Идеальное питание определяется этой же целью.

С позиций теории адекватного питания идеальное питание с трудом поддается теоретическому определению, так как эффекты пищи и режимы питания разнообразны. Одни виды пищи улучшают общее самочувствие, другие повышают работоспособность, третьи позволяют скорее приспособиться к климатическим или к необычным условиям, изменять эволюционно сформированные или другие реакции. Каждый положительный эффект может сопровождаться некоторыми отрицательными эффектами. Более того, так называемая идеальная пища, обеспечивающая равновесие притока и расхода пищевых веществ, в большинстве случаев не адекватна для человека и животных, так как приводит к бездействию депо и, следовательно, способствует своеобразной метаболической гиподинамии. Действительно, уже в конце 50-х гг. нам удалось показать, что переход от одного типа полноценной пищи к другому помимо адаптивных реакций вызывает увеличение активности ферментных систем пищеварительного тракта и повышение уровня некоторых ферментов крови.

Сходные явления мы наблюдали впоследствии при различных воздействиях на организм. Эти данные позволили предположить, что «метаболический комфорт» в результате «идеального питания» не является эволюционно подготовленной основой для оптимальной работы метаболических систем. Равенство расхода и поступления веществ в организм — правило, справедливое лишь для достаточно длительных интервалов времени.

В пределах более коротких временных интервалов значительные расхождения между этими показателями не только физиологичны, но и необходимы для поддержания достаточно высокого уровня функциональной активности.

Рациональное питание определяется компромиссом между более или менее ограниченными (по количеству и качеству) пищевыми ресурсами и наиболее эффективным питанием. Практически питание человека и животных в естественных условиях обусловлено оптимальными нормами и реальными возможностями. Чаще всего в основе компромисса лежит недостаток ряда пищевых продуктов или их высокая стоимость. В первую очередь это касается белка, потребность в котором может быть удовлетворена потреблением мяса и рыбы, а во многих случаях — молочных продуктов. К сожалению, во многих странах, в том числе и в нашей, молочные продукты используются недостаточно. Белковый рацион может быть оптимизирован также сочетанием белковой пищи с другими пищевыми продуктами, сберегающими расход белка, а также обогащающими его. Например, белок хлеба легко обогащается благодаря использованию цельнозернового хлеба, а не хлеба, выпеченного из муки высокого помола. Однако применение очищенной муки — повсеместно распространенный отрицательный эффект научно-технического прогресса прошлого и нынешнего веков и одно из негативных следствий теории сбалансированного питания. Тем не менее возможны оптимальные сочетания пищевых продуктов применительно к конкретным условиям питания и дальнейшие поиски в этом направлении.

Многие полезные пищевые продукты содержат токсические компоненты, которые в ряде случаев могут быть разрушены тепловой обработкой пищи. Однако определенный уровень токсических веществ — постоянный и физиологический спутник жизни. Большинство этих веществ нейтрализуется защитными системами желудочно-кишечного тракта. В последнее время в связи с интенсификацией сельского хозяйства и урбанизацией населения количество непищевых добавок, подавляющее большинство которых не полностью индифферентно для организма, прогрессивно возрастает во всем мире. Применение регуляторов природной среды, дефолиантов, инсектицидов, пестицидов, гербицидов и др. приводит к тому, что эти вещества поступают в значительную часть пищевых продуктов. Хотя действие таких веществ направлено первоначально против растений, насекомых, грибов и других вредителей, в силу универсальности функциональных блоков (см. гл. 5 и 6) существует потенциальная опасность их воздействия на организм человека и высших животных. (В некоторых случаях такой отрицательный эффект доказан). Точно так же не индифферентны добавки, обеспечивающие консервацию пищевых веществ. Кроме того, пищевые продукты загрязняются промышленными отходами, среди которых могут оказаться весьма токсичные. Этой крайне актуальной проблеме уделяется большое внимание.

В связи с вышеизложенным возникают следующие вопросы: как в условиях загрязненной пищи оптимизировать питание, что лучше — адаптация к одному загрязнителю или чередование различных загрязнителей? Быть может, следует периодически менять консерванты или источники продуктов питания, использовать антидоты, которые можно вводить либо в соответствующие загрязненные продукты, либо применять одновременно с пищевыми продуктами? Найти ответы на такие вопросы особенно важно в связи с тем, что питание в неидеальных условиях приобретает все большие масштабы.

Оптимальное питание — проблема, еще нуждающаяся в решении. Она представляется особенно важной, так как дефекты питания в глобальных масштабах характерны и для настоящего времени. С дефектами питания люди сталкиваются также в различных аварийных и экстремальных ситуациях и, наконец, будут сталкиваться при создании искусственных биосфер и трофосфер в связи с исследованием космоса и другими задачами. Поэтому необходимо понять, каким образом при значительных дефектах питания добиться наиболее благоприятных результатов.

Возьмем Крайний случай, связанный с отсутствием продуктов питания. Долгое время считалось, что в таких условиях лучше полное голодание, чем поедание непитательных структур (в частности, листьев растений). В рамках теории сбалансированного питания это объяснялось тем, что при питании листьями происходит значительная работа пищеварительного аппарата и дополнительный расход энергии, а также размножение бактериальной флоры. Однако с позиций теории адекватного питания нормальная деятельность желудочно-кишечного тракта необходима для поддержания основного обмена, для функционирования его эндокринного аппарата, для поддержания эндоэкологии кишечника. Сохранение эндоэкологии благодаря пищевым волокнам кажется более благоприятным для организма, чем абсолютное голодание. Такая точка зрения подтверждается известными примерами о поведении людей во время голода, добавляющих в пищу траву, древесные опилки, листья и т.д. Иной смысл приобретает и оценка поведения некоторых хищных животных, во время голода питающихся листьями, травой, ягодами и другими растительными продуктами. Понятными становятся также различия между полным голоданием и голоданием в сочетании с потреблением продуктов с незначительной пищевой ценностью, но которые существенно влияют на состояние эндоэкологии организма. Приведенный пример использования пищевых волокон лишь один из многочисленных примеров оптимизации питания в неблагоприятных условиях.

Использование нерафинированных пищевых продуктов (например, цельнозернового хлеба, неполированного риса и т.д.) при оптимизации питания в условиях нехватки пищевых ресурсов приобретает особенно большое значение. По-видимому, нерафинированные продукты и в большинстве других случаев имеют преимущества перед рафинированными.

Следует подчеркнуть, что оптимизация питания была важной и полезной частью национальных, племенных и религиозных традиций. Однако в научной литературе часто обращается внимание лишь на недостатки этих традиций, многие из которых теперь утрачены. В то же время такая утрата создает вакуум, который нередко заполняется неправильными и неорганизованными действиями. Последние опираются на многочисленные модные концепции питания, не имеющие теоретической базы и не подкрепленные практикой.

Оптимизация питания связана с решением нескольких проблем. Прежде всего должны быть получены такие соединения, которые выполняли бы основные регуляторные функции во внешней среде, но не попадали бы в пищевые продукты. Далее, следует использовать соединения с такой степенью избирательности, при которой эти вещества и их метаболиты были бы индифферентны для человека. Важно также разработать пищевые технологии, в том числе кулинарные, при которых в процессе приготовления пищи токсические вещества разрушались бы или превращались в безвредные. Наконец, должна существовать информация о наличии в продуктах токсических соединений и о возможности чередования этих продуктов во избежание кумулятивных эффектов, неблагоприятных взаимодействий и т.д.

Понятие адекватности позволяет оптимизировать питание в соответствии с возрастом и характером труда. Но и в этом случае пища не будет идеальной. Кроме того, идеальная пища биологически не адекватна, так как не создает физиологической нагрузки на различные системы организма, в том числе на депо, ферментные системы желудочно-кишечного тракта и т.д.

Огромные перспективы для оптимизации питания открывает улучшение аминокислотного состава пищи путем введения в нее пептидов. Нами показано, что по эффективности пептидные гидролизаты не уступают аминокислотным смесям и белкам. Они могут быть рекомендованы для питания ослабленных организмов при краткосрочных диетах, при больших физических и эмоциональных нагрузках и пр. Оптимизация питания также необходима в связи с проблемой пищи будущего.

До последнего времени культура человеческого тела рассматривалась преимущественно как физическая. Однако она значительно сложнее и шире и включает в себя многие стороны, которые могут быть объединены понятием биологической культуры. В это понятие должны войти представления о физической, генетической, экологической и физиологической культурах, причем последняя должна включать в себя биохимическую, климатическую, культуру питания и другие.

Итак, частью физиологической культуры является культура питания, или нутритивная культура. Это справедливо, так как без представлений о нутритивной культуре крайне трудно решать ряд проблем, и в том числе проблему победы над голодом и многими заболеваниями нашего века (атеросклероз, сердечно-сосудистые заболевания, некоторые типы злокачественных новообразований, нарушения деятельности желудочно-кишечного тракта и многие другие), а также проблему борьбы с одряхлением организма. Ясно также, что физиологическая культура может быть построена лишь на основе достаточно глубокой теории, которая должна служить основой не только правильного потребления пищевых продуктов, но и базой для их производства и переработки.

В свете представлений о физиологической культуре следует рассматривать ряд проблем, в том числе и регуляцию аппетита. Вероятно, у человека частично нарушена та поразительная способность регулировать потребление пищи, которая свойственна животным. Регуляция аппетита — один из важных механизмов гомеостаза, обеспечивающего поддержание постоянства молекулярного состава организма. Вместе с тем этот механизм — один из наиболее уязвимых в силу обстоятельств, рассмотрение которых выходит за рамки этой книги.

Управление аппетитом и питанием сформировалось в ходе эволюции и базируется на определенной системе сигналов. Неправильное пищевое воспитание и неправильное пищевое поведение человека, т.е. отсутствие культуры питания, приводят к многочисленным ошибкам в работе механизмов, регулирующих аппетит человека. Из этих ошибок наиболее распространенная — переедание одних типов пищевых продуктов и недоедание других. Уже в рамках теории сбалансированного питания для преодоления этого коренного дефекта были сформулированы понятия идеальной пищи и идеального питания, а также предложены их модели. Однако, как отмечено выше, с позиций теории адекватного питания пища не должна и не может быть идеальной. Более уместно представление об адекватной пище, которая широко варьирует в зависимости от внешних условий и внутренней среды организма.

Соотношение различных компонентов в пище и характер питания, которые должны обеспечивать эффективное функционирование депо и «упражнение» различных метаболических систем, необходимо рассматривать с точки зрения физиологической культуры, и в том числе культуры питания. Следует заметить, что некоторые «нутритивные секты», использующие определенные типы и режимы питания, часто достигают существенных успехов, так как, воздействуя на те или иные формы обмена веществ, добиваются полезных эффектов. Однако в ряде случаев эффекты оказываются, к сожалению, кратковременными, а иногда и нежелательными. Именно поэтому физиологическая культура, и в том числе культура питания, должна развиваться под контролем специалистов и в строгом соответствии с реальными потребностями организма.

Согласно теории сбалансированного питания, пища, которая представляет собой сложно организованную структуру и состоит из нутриентов, балластных веществ и иногда ряда токсических продуктов, подвергается механической, физико-химической и в особенности ферментативной обработке. В результате этого полезные компоненты пищи извлекаются и превращаются в лишенные видовой специфичности мономеры, которые всасываются в тонкой кишке и обеспечивают энергетические и пластические потребности организма. (Многие физиологи и биохимики сравнивают этот процесс с извлечением ценных компонентов из руды). Из балластных веществ, некоторых элементов пищеварительных соков, слущенных клеток эпителиального пласта желудочно-кишечного тракта, а также под действием бактериальной флоры, частично утилизирующей нутриенты и балластные вещества, формируются экскреты, которые выбрасываются из организма. Из этой схемы ассимиляции пищи вытекают принципы расчета количества полезных веществ, поступающих в организм вместе с пищей, оценка ее достоинств и т.д.

В соответствии с теорией адекватного питания питание обусловлено не только нутриентами, но и потоком различных регулирующих соединений, вырабатывающихся эндокринными клетками пищеварительного аппарата, а также содержащихся в самой пище или образующихся при ее взаимодействии с микрофлорой кишечника. Другими словами, нормальное питание определяется не только потоком нутриентов, но и строго регламентировано потоком регуляторных факторов. Далее, бактериальная флора желудочно-кишечного тракта не только у жвачных, но, по-видимому, у всех или подавляющего большинства многоклеточных организмов — необходимый участник ассимиляции пищи. Для сложных организмов справедливо считать, что в метаболическом смысле они представляют собой надорганизмы, у которых имеет место взаимодействие хозяина с определенной микропопуляцией. Под действием микрофлоры образуются вторичные нутриенты, которые скорее всего чрезвычайно важны, а во многих случаях необходимы. Источником вторичных нутриентов служат балластные вещества, участвующие в регуляции многих локальных и общих функций организма.

Таким образом, питание в свете новой теории — это чрезвычайно сложный процесс, в котором пищеварение является не только способом извлечения полезных компонентов из сырья. Эта теория возвращает нас к некоторым общим идеям античного естествознания, которые заключаются в том, что в процессе пищеварения образуются новые компоненты пищи. С этой точки зрения обогащение пищи за счет удаления балластных веществ, необходимое с позиций теории сбалансированного питания, кажется абсолютно неправильным в свете теории адекватного питания. Точно так же подавление бактериальной флоры противоречит новой теории, хотя и хорошо согласуется с представлениями о механизмах усвоения пищи, развивавшихся классической теорией.

Следовательно, новая теория адекватного питания не является модификацией классической, а представляет собою новую теорию с другой аксиоматикой. Однако основной постулат, согласно которому расход и поступление в организм пищевых веществ должны быть сбалансированы, новая теория целиком принимает.

3.3. Теории питания и некоторые конкретные проблемы

В настоящее время установлено, что ассимиляторный цикл состоит из цепи реакций, взаимодействие которых обеспечивает его совершенство и эффективность. Об этом говорил еще И. П. Павлов, сравнивая пищеварительный аппарат с химическим производством. Прохождение пищи по желудочно-кишечному тракту включает ряд локальных и общих систем, обеспечивающих координацию деятельности различных отделов пищеварительного аппарата и, что не менее важно, переключение обмена всего организма с «голодного» на «сытый». Такое переключение реализуется при участии кишечной гормональной системы. Благодаря таким механизмам ассимиляция пищи становится не местным процессом извлечения нутриентов из желудочно-кишечного тракта и передачи их во внутреннюю среду организма, а общим процессом, так как включается в общие реакции организма. Такие реакции усиливаются тем, что кроме собственно нутритивных функций желудочно-кишечный тракт выполняет сложную защитную функцию. Последняя, как было ранее отмечено, реализуется благодаря барьерам, к которым могут быть отнесены клетки кишечной слизистой с их гликокаликсом и липопротеиновой мембраной, а также иммунный и ферментный барьеры. Этот ферментный барьер состоит из трансформационных систем и систем внутриклеточного гидролиза, участвующих в процессах катаболизма.

Рассмотрим конкретные примеры различного решения некоторых проблем в свете классической и новой теорий питания. Одна из них связана с пищевой непереносимостью.

Проблема пищевых интолерантностей, или непереносимостей, может быть охарактеризована на примере непереносимости молока. Она затрагивает практически все человечество, так как интолерантностью к молоку страдают сотни миллионов или даже миллиарды людей. В частности, непереносимость молока наблюдается у 6—12% европейцев и американцев. У жителей Ближнего Востока она достигает 70%. Сходные данные получены в отношении киприотов, японцев, эскимосов Гренландии, индейцев Америки, африканцев и жителей Шри-Ланки. Вместе с тем у пигмеев Африки выявлена европеоидная картина, т.е. непереносимость молока встречается лишь у 5%.

Установлено, что при переходе от питания молоком к смешанному питанию происходит частичная репрессия гена, контролирующего синтез лактазы — фермента, расщепляющего лактозу, или молочный сахар. Лактозная толерантность определяется генетически рецессивным путем. Предполагается, что степень репрессии лактазного гена связана с историей данной этнической группы и, возможно, определяется наличием или отсутствием молочной культуры на заре становления данного народа (табл. 5). Следовательно, уровень репрессии лактазного гена может служить своеобразным генетическим маркером, как и многие другие маркеры. Для лучшего понимания этой проблемы рассмотрим механизмы интолерантности к молоку.

Распространенность лактазной недостаточности (ЛН) у взрослых среди различных этнических групп

Продукты частичного гидролиза пищевых биополимеров, а также небольшие молекулы, в частности лактоза и сахароза, проникают через гликокаликс и достигают поверхности мембраны, где локализовано около 20 ферментов. Эти ферменты, осуществляющие заключительные стадии расщепления практически всех пищевых веществ, образуют олигомерные комплексы с транспортными системами. Благодаря этому образовавшиеся конечные продукты гидролиза немедленно поступают в транспортные системы, которые активно переносят свободные мономеры (глюкозу, аминокислоты и др.). Недостаточность или отсутствие фермента лактазы приводит к непереносимости молока. Зона мембранного пищеварения стерильна, т.е. недоступна бактериям, которые конкурируют с макроорганизмом за обладание нутриентами. У большинства организмов бактерии используют преимущественно остаточные нутриенты. В том случае, когда какой-либо фермент отсутствует, соответствующий субстрат быстро поступает в полость тонкой кишки и становится добычей бактериального пула. Возникающие при этом бактериальные метаболиты вызывают в одних случаях диарею, в других тяжелое отравление, шок и иногда смерть. Тяжелые заболевания, в том числе со смертельным исходом, описаны у взрослых людей даже после нескольких глотков молока. Подавление бактериальной флоры антибиотиками может предотвратить непереносимость молока. Таким образом, механизм интолерантностей, долгое время не имевший объяснения, в настоящее время стал вполне ясен. Тем не менее у людей с одинаковым уровнем лактазной недостаточности интолерантность может быть или выражена, или совершенно отсутствовать. Это определяется двумя причинами: 1) различиями бактериальной флоры (у одних лиц бактериальная флора не вырабатывает токсических метаболитов, у других — продуцирует их); 2) состоянием барьерных функций печени,

При старении организма, как правило, непереносимость ряда пищевых продуктов возрастает. Это связано не только с возрастным ослаблением синтеза различных ферментов, в том числе лактазы, но и в особенности с ослаблением функций печеночного барьера. Во многих случаях воздействия на печень и применение лекарственных препаратов приводят к восстановлению толерантности.

В последние годы делаются многочисленные попытки создать молоко, которое могли бы использовать люди с интолерантностью к этому продукту. Для этого существует два пути: 1) предварительный гидролиз лактозы до употребления молока в пищу; 2) добавление в молоко фермента лактазы, расщепляющего молочный сахар. При лактозной интолерантности употребляется молоко с расщепленной лактозой, а также молочные продукты с низким содержанием этого дисахарида (сыр, кефир, кислое молоко и др.). Как показали эксперименты, низколактозное коровье молоко, полученное после инкубации его с дрожжевой лакта-зой, не вызывает заметных нарушений у взрослых лиц, страдающих непереносимостью молока. В то же время немодифицированное молоко провоцирует все симптомы, характерные для этого заболевания.

На примере работы молекулярных и клеточных машин попытаемся проиллюстрировать, насколько важны естественные технологии и насколько велики те ошибки, которые делало и продолжает делать человечество при кормлении новорожденных.

Выше отмечено, что переваривание пищи у взрослого человека осуществляется благодаря полостному (внеклеточному) и мембранному пищеварению. Однако в период раннего постнатального развития пищеварение происходит несколько иначе. Теоретически ясно, что при питании высокодиспергированной пищей, не требующей значительной предварительной обработки в пищеварительных полостях, основной гидролиз будет наблюдаться в зоне мембранного пищеварения. У новорожденных организмов мембранное пищеварение является доминирующим, тогда как целостное развито слабо.

По-видимому, механизмы, обеспечивающие мембранное пищеварение, к концу эмбрионального периода уже сформированы. Напротив, полостное пищеварение развивается при переходе от молочного питания к смешанному. При этом происходит изменение ферментного спектра мембраны кишечных клеток. В этот же период наблюдается и репрессия синтеза лактазы. Кроме того, в первые дни после рождения ребенка первостепенную роль играет внутриклеточное пищеварение эндоцитозного типа.

В настоящее время широко используется замена женского молока на коровье, что стало свойством современной цивилизации. Однако появляются тревожные сигналы, что такая замена не адекватна. С точки зрения теории сбалансированного питания имитаторы женского молока на основе коровьего — прекрасный заменитель. Небольшие различия в химическом составе не имеют значения. Но с точки зрения теории адекватного питания в первые месяцы жизни ребенка такая замена неудовлетворительна, а в первые дни крайне опасна. Эта опасность обусловлена тем, что непосредственно после рождения имеет место интенсивный эндоцитоз, который заключается в поглощении кишечными клетками макромолекул и доставке их во внутреннюю среду организма (рис. 17). Этот механизм заключается в улавливании рецепторами поверхности кишки различных типов молекул, затем их быстрой концентрации в области так называемых окаймленных ямок и погружении в цитоплазму в виде везикул (см. гл. 5). Такой механизм обеспечивает множество разнообразных эффектов, в том числе поступление иммуноглобулинов из организма матери в организм ребенка. Однако если молоко матери заменить на молоко представителей млекопитающих других видов, то с помощью того же механизма эндоцитоза во внутреннюю среду организма будут поступать чужеродные антигены, так как в раннем возрасте иммунного барьера в желудочно-кишечном тракте еще не существует. В этом случае возникает ситуация, которая многими иммунологами оценивается как крайне отрицательная, так как за счет естественного механизма обеспечивается поступление во внутреннюю среду организма ребенка огромного количества чужеродных белков. Через несколько дней после рождения эндоцитоз практически полностью прекращается. В этом возрасте при молочном питании возникает иная картина, свидетельствующая о резких различиях между материнским и коровьим молоком.

Рис. 17. Механизмы всасывания макромолекул в кишечнике новорожденных млекопитающих.

А — селективный транспорт γ-глобулинов молозива матери в тощей кишке новорожденных млекопитающих с участием специфического редепторного центра (1) мембраны микроворсинок. γ-Глобулины, по-видимому, защищенные от внутриклеточного лизосомного переваривания из-за связывания с рецепторным центром, транспортируются из клетки в больших количествах. Б — неселективное поглощение и транспорт других молекул, происходящий в тонкой кишке большинства новорожденных млекопитающих. Незрелые кишечные клетки поглощают большое количество макромолекул, которые после внутриклеточного переваривания в фагоомах поступают во внутриклеточное пространство в крайне незначительных количествах. 2 — лизосома; 3 — фаголизосома.

Содержание лактозы в материнском молоке значительно выше, чем в коровьем. При нормальном кормлении ребенка часть лактозы достигает толстой кишки, обеспечивая благоприятную слегка кислую среду для развития молочнокислых и других полезных бактерий. Напротив, при использовании коровьего молока лактоза не достигает толстой кишки и в полости последней вместо молочнокислого брожения возникают гнилостные процессы, что приводит к постоянной интоксикации организма ребенка. Формирование токсических продуктов на фоне слабости кишечного и печеночного барьеров может приводить к нарушениям как физического, так и интеллектуального развития ребенка, которые сказываются не только в детстве, но и в более поздние периоды жизни.

В последние годы сделаны удачные попытки оптимизировать замену грудного молока добавлением к молочным смесям лактозы с тем, чтобы восстановить молочнокислое брожение и подавить гнилостное.

3.4. Теория адекватного питания как составная часть трофологии

Достижения биологии и, в частности, ее физико-химических направлений служат основой для быстрого прогресса наших знаний в области физиологии и биохимии процессов ассимиляции пищи. Были сделаны крупнейшие открытия, которые оказали влияние на всю стратегию питания. В результате успехом молекулярной биологии, мембранологии и цитологии были установлены общие закономерности строения и функционирования систем, обеспечивающих поглощение и ассимиляцию пищевых веществ организмами всех пяти царств биота: бактерий, грибов, простейшие, растений и животных. Это относится как к экзо-, так и к эндотрофии. Поразительно сходны у представителей всех царств биота свойства транспортных систем, участвующих в поглощении и переносе нутриентов через мембраны и клеточные слои (у многоклеточ-ных организмов). Наконец, близки или идентичны механизмы высокоэффективного перехода от переваривания к всасыванию без потери веществ и скоростей процесса в целом с помощью ферментно-транспортных комплексов клеточной мембраны.

Анализ формирующейся теории адекватного питания свидетельствует, что мы вышли далеко за пределы классических представлений о пищеварении и питании и представлений об ассимиляторных процессах в живых системах. Возникает необходимость в рассмотрении всей информации с единых позиций, что может быть реализовано в пределах междисциплинарной науки — трофологии.

Предметом исследования трофологии являются общие закономерности ассимиляции жизненно необходимых веществ на всех уровнях организации живых систем — от клетки, органа и организма до соответствующих связей в популяции, биоценозах и биосфере. Трофология охватывает многие области знаний: механизмы и закономерности трофических взаимодействий, трофику клеток и тканей, гастроэнтерологию, науку о питании, и в том числе диететику, иммунологию, микробиологию, экологию, ассимиляторные аспекты почти всех биологических наук, а также некоторых химических и технологических наук, определенные научные проблемы сельского хозяйства, многие пограничные проблемы (например, физиология аппетита и функции депо, трофические функции нервной системы и гормонов) и т.д. Другими словами, трофология объединяет звенья искусственно разорванной и разделенной между этими областями знаний единой ассимиляторной цепи.

Перед трофологией стоят актуальные проблемы теоретического и прикладного значения. К числу теоретических проблем следует отнести механизмы поглощения и ассимиляции пищевых веществ, механизмы распределения и перераспределения этих веществ в пределах организма и одной клетки, взаимоотношения и регуляцию пищевых связей в биоценозах, механизмы передачи пищевых веществ вдоль трофических цепей, роль трофических процессов в циркуляции веществ в биоценозах и биосфере, трофические проблемы эволюции видов, биоценозов и биосферы.

К числу прикладных проблем трофологии, которые являются первоочередными в современной науке, следует отнести проблему идеальной пищи и оптимального питания, согласование и критерии производственных технологий питания на основе трофологических анализов, защиту и сохранение естественных трофических систем, управление трофическими циклами в отдельных биоценозах и в биосфере, создание искусственных рациональных и эффективных трофических систем на Земле и в космосе.

С позиций трофологии, растениеводство и животноводство как отрасли народного хозяйства, использующие и перерабатывающие растительные и животные богатства, должны плодотворно взаимодействовать как части трофических циклов. Практические аспекты трофологии могут дать более надежную основу как для промышленной и сельскохозяйственной продукции пищевых средств, использованных ранее, так и для разработки оптимального питания и кормления. Ряд аспектов трофологии выходит далеко за пределы научной основы индивидуального питания и превращается в базу промышленного и аграрного производства пищевых продуктов и поддержания равновесия биологических сообществ.

Трофология, как и многие новые науки, опирается не на один, а на множество различных методических подходов, в том числе на математические, химические, физические и биологические. Трофологические подходы включают соотнесение свойств пищевых продуктов и трофических процессов на всех уровнях организации живых систем с их значением в обеспечении энергетического и пластического обмена анализируемой системы.

3.5. Биосфера как трофосфера

Жизнь на Земле возможна лишь как планетарное явление, как форма существования биосферы с обязательным для нее кругооборотом веществ и потоков энергии — биотическим круговоротом. Равновесие между синтезом и деструкцией веществ — необходимое условие поддержания жизни в планетарном масштабе и существования каждого вида. Биотический круговорот при этом выступает в большей степени как трофический процесс, а сами организмы составляют трофические цепи, где каждый вид использует определенные источники питания и вместе с тем сам служит пищевым объектом.

С деятельностью живых систем связана та часть поверхности Земли, которая объединена под названием биосферы. Ясно, что живые системы, представляющие собой активную силу, действующую сегодня, составляют лишь сравнительно небольшую часть биосферы, которая организована как система круговоротов. В последние включен ряд неорганических компонентов. Многие неорганические вещества превращаются в органические и проходят превращения в метаболических звеньях трофических цепей, а затем в идеальных случаях возвращаются в метаболические звенья компонентов круговорота.

Понимание биосферы как трофосферы, состоящей из различных трофоценозов с их цепными и разветвленными связями, обеспечивающими циркуляцию веществ и энергии, позволяет решать проблемы охраны окружающей среды и поддерживать экологическое равновесие путем анализа пищевых соотношений и их сохранения. В некоторых случаях при нарушении трофических цепей возможно их восстановление за счет включения недостающих звеньев.

Следует обратить внимание на несколько аксиоматических положений: 1) в основе энергетики жизни и образования органических веществ лежат преимущественно солнечная энергия и процессы фотосинтеза; 2) основная часть энергии расходуется в результате метаболизма в самих аутотрофных организмах; 3) лишь небольшая часть аккумулированного материала (примерно 10%) переходит в следующее звено трофической цепи и т.д. Следовательно, лишь небольшая часть энергии, накопленной в органических веществах, передается по трофическим цепям. Однако именно эта неметаболизированная часть и является самой важной, так как она определяет состав биосферы, ее единство, гомеостаз и многие другие свойства.

В классическом труде «Биосфера» В. И. Вернадский в 1926 г. писал, что на земной поверхности нет химической силы более постоянно действующей, а потому более могущественной по своим конечным последствиям, чем живые организмы, взятые в целом. Следует подчеркнуть, что живые организмы необходимо рассматривать не как сумму автономных сил, а как системы (в особенности трофические), в которых активности организмов и популяций включены в определенные взаимодействующие и взаимосвязанные звенья.

Когда В.И. Вернадский создавал концепцию биосферы, концепция трофических цепей базировалась на упрощенных и неполных представлениях, не позволяющих дать систематическое описание механизмов ассимиляции пищи. Благодаря достижениям биологии последних лет представляется возможным охарактеризовать все процессы, происходящие в трофических цепях, на основании трех основных типов пищеварения, а также трех типов транспорта. Эти достижения позволяют также показать, что место вида в трофической цепи определяет его процветание.

Физиология организмов тесно связана с видовыми особенностями питания и добывания пищи. Экологи подчеркивают, что главная побудительная причина активности животных — поиск пищи в достаточном количестве, а структура и деятельность сообществ в большой мере зависят от наличия пищи. Многие процессы в организме подчинены особенностям питания, связанным с местом вида в трофической цепи и способом добывания пищи.

Одно из положений трофологии заключается в том, что любой организм (точнее, вид) приспособлен к определенному источнику питания и вместе с тем к тому, что он сам служит источником питания. Для этого организмы должны обладать определенной фагичностью, т.е. доступностью для других организмов в качестве источника пищи, и трофичностью, т.е. питательными свойствами и способностью быть ассимилированными. На первый взгляд такое положение может показаться телеологичным и противоречащим действительности, так как существует много данных в пользу того, что организмы вырабатывают специальные способы защиты от потенциального хищника. Однако анализ показывает, что фагичность и трофичность обеспечивают процветание вида (разумеется, если они не переходят определенных границ). Из этого становится понятной взаимная адаптация так называемых трофических партнеров, например строгая взаимная зависимость свойств и численности популяций хищника и его жертвы. При уменьшении популяции жертвы популяция хищника начинает вымирать. При благоприятных условиях питания популяция жертвы может увеличиваться, что влечет за собой увеличение также и популяции хищника. Когда увеличение популяции хищника достигнет максимума, из-за уменьшения популяции жертвы наступает депрессия численности хищника. Анализ свойств такой пары демонстрирует роль источника пищи и наличие обратной связи.

Возможно гомеостатирование популяции за счет того, что хищники будут питаться преимущественно больными, дефектными или стареющими ее членами, а численность популяции как источника питания будет поддерживаться на определенном уровне. Совершенствование жертвы могло бы привести хищника к гибели от голода и вследствие этого к ухудшению ее популяции из-за отсутствия контроля со стороны хищника.

Это можно наблюдать в тех случаях, когда в том или ином регионе поголовье хищника уничтожалось или искусственно увеличивалось с помощью специальных мероприятий по охране этих животных.

Существует еще один механизм регуляции поедаемости, основанный не только на численности взаимодействующих популяций. Так, хищник оберегает вид, которым он питается. Примером этому могут служить морские звезды и офиуры, которые имеют период голодания в один-два месяца, приуроченный ко времени оседания личинок пластиножаберных моллюсков — одного из основных пищевых объектов названных хищников. Личинки очень малы, но за время голодания хищников масса жертвы увеличивается на 2—3 порядка. Таким образом, хищник сохраняет источник своего питания.

Примером взаимных адаптаций служит эволюция взаимоотношений паразит—хозяин, при которой происходит уменьшение вредных для хозяина последствий паразитизма или инфекционного воздействия и переход к нейтральным или часто симбионтным взаимоотношениям.

3.6. Типы питания. Классическая и новая (естественная) классификация трофических механизмов в мире живых существ

Ранее по типу питания все живые организмы подразделялись на две основные группы: 1) аутотрофы (большинство растительных организмов), использующие лишь неорганические вещества; 2) гетеротрофы (животные), потребляющие органические вещества наряду с неорганическими. Однако такая классификация живых существ не представляется вполне удачной. Строго говоря, все организмы нуждаются в экзотрофии и, следовательно, не могут быть аутотрофами в прямом смысле этого термина. При экзотрофии используются органические материалы в одном случае и неорганические — в другом. Таким образом, каждый организм является гетеротрофом и не может быть полным аутотрофом.

Мною была предложена естественная классификация типов питания живых организмов. В соответствии с этой классификацией все организмы были распределены по шкале, на одном полюсе которой находятся полные абиотрофы, а на другом — полные биотрофы. Абиотрофами являются организмы, использующие для питания только неорганические компоненты, в том числе углекислоту, воду, соли и т.д. Биотрофы представляют собой организмы, потребляющие в качестве пищи органические соединения, первично синтезированные абиотрофами. Переходы от абиотрофии к биотрофии сложны и постепенны. Вся шкала между этими двумя крайними группами занята организмами с возрастающей долей биотрофии. В сущности, абиотрофных организмов, т.е. организмов, синтезирующих все органические компоненты из неорганических, сейчас практически не существует. Например, фотосинтезирующие организмы — это неполные абиотрофы, так как они не способны, в частности, к фиксации азота и, следовательно, абиотрофны по большинству, но не по всем характеристикам. Азотфиксирующие бактерии абиотрофны по азоту, но для получения энергии используют биологические источники пищи.

Биотрофия в широком смысле существует в нескольких вариантах, имеющих различное физиологическое значение, но близкие, а иногда идентичные механизмы: 1) питание живыми организмами или их элементами (витальная экзотрофия); 2) питание продуктами жизнедеятельности других организмов, отмирающими организмами, частями организмов, например листьями растений или слущенными эпителиальными клетками (поствитальная экзотрофия, или сапрофитизм). К биотрофии относится также эндотрофия, характерная для темнового питания растений, а также наблюдаемая при голодании животных. Биотрофия у некоторых животных становится почти полной, например у хищников, однако они используют воду и соли небиологического происхождения. Полная биотрофия характерна для некоторых монофагов, а также для симбионтов, эмбрионов и некоторых других организмов.

В свете современных данных ясно, что механизмы эндо- и экзотрофии родственны, а не противоположны, как представлялось ранее, когда экзотрофию рассматривали в качестве гетеротрофии, а зндотрофию в качестве аутотрофии. Делается понятным, в частности, структурное и функциональное сходство микроворсинок кишечника, обеспечивающего внешнюю биотрофию, и микроворсинок плаценты, реализующей питание зародыша за счет матери.

О происхождении и эволюции экзотрофии. Наиболее вероятно, что первичные живые организмы были примитивными и не имели сложного аппарата, необходимого для фиксации азота и фотосинтеза. Они получали основные органические материалы в виде мономеров из небиологических источников, т.е. были абиотрофами, питавшимися органическими соединениями. По-видимому, уже тогда, т.е. на очень ранних стадиях эволюции, образовались ферментные системы, обеспечивающие частичное гидролитическое расщепление внутренних структур для использования их в качестве источника энергии и для построения новых структур. Такие гидролазы, вероятно, являлись наиболее древними. Они служили основой для формирования эндотрофии, а на более поздних этапах — экзотрофии. Можно предположить, что эти ферменты, первоначально участвующие в перестройке структур и эндотрофии, могли затем послужить базой для утилизации структур соседних, но отмирающих организмов и структур.

Так, на основе первичной эндотрофии формировалась экзотрофия всех известных живых организмов: бактерий, грибов, простейших, растений и животных. Эта древность и первичность эндотрофии позволяет понять сходство эндотрофических процессов и осуществляющих их систем у столь далеких друг другу организмов, как бактерии, высшие растения и животные. Кроме того, становится ясно, что все типы пищеварения, сформировавшиеся на общей основе, сходны у всех живых организмов. Действительно, внутриклеточное, мембранное и внеклеточное пищеварение у бактерий, грибов, растений и высших животных обладает многими общими чертами. Системы же фото- и хемосинтеза, необходимые для абиотрофии, — это более позднее и весьма специфическое достижение эволюции.

Принципиальное сходство механизмов ассимиляции пищевых веществ с помощью деполимеризующих систем (т.е. механизмов пищеварения), характерное для большинства живых организмов, имеет адаптивное значение. Благодаря этому сходству оказывается возможным приспособление организмов к изменению места в трофической цепи (за исключением первого, где происходит синтез органических соединений из неорганических). Другими словами, возможно превращение растительноядных организмов в хищников того или иного порядка, в паразитов, переход от хищничества к сапрофитизму и т.д. Этим можно объяснить возникновение таких специализированных процессов, как эмбриональное и молочное питание.

Таким образом, сходство, а иногда идентичность различных типов биотрофии — не случайность, а отражение их эволюционной общности. Эта же общность механизмов ассимиляции позволяет понять причины того, что питание животных ничем существенно не отличается от питания простейших, грибов или даже бактерий. Действительно, все существующие организмы (за исключением некоторых эндопаразитов) в качестве пищевых веществ используют преимущественно определенные макромолекулы или сложные комплексы, состоящие из белков, жиров, углеводов, нуклеиновых кислот и т.д. Специфические гидролазы, сформированные в ходе эволюции, реализуют деполимеризацию этих веществ преимущественно до мономеров, пригодных к всасыванию и усвоению. При этом естественная технология переработки и усвоения пищи сводится, как неоднократно отмечено, к трем основным типам пищеварения и последующему всасыванию. С другой стороны, понятно, что близкие виды организмов могут приспосабливаться к различным условиям литания, например к растительному, хищничеству, сапрофитизму, так как в основе всех этих способов питания лежат единые по своей сути механизмы. Вместе с тем виды, относящиеся к различным типам и даже царствам, могут занимать аналогичные трофические ниши.

Открытие общих закономерностей ассимиляции пищевых веществ, одинаково справедливых для наиболее примитивных и для наиболее высокоорганизованных живых систем, способствовало формированию новой эволюционно аргументированной теории адекватного питания, пригодной для анализа ассимиляторных процессов у человека и других биотрофных организмов. Многие общие аспекты новой теории питания связаны с экологией, а многие аспекты жизни и эволюции живых организмов становятся понятными на уровне биосферы. Это обстоятельство явилось важной предпосылкой для объединения многих звеньев биологических и медицинских наук, посвященных различным сторонам механизмов ассимиляции пищи в биологических системах различной степени сложности (от клетки и организма до экосистемы и биосферы), в одну комплексную междисциплинарную науку трофологию.

Рассмотрение процессов питания с координированной системой свойств пищевых продуктов и с механизмами ассимиляции пищи на разных этапах эволюции следует проводить в рамках трофологии. Такое объединение необходимо биологу для понимания фундаментального единства природы и процессов взаимодействий в биосфере на основе трофических связей, т.е. для характеристики биосферы как трофосферы. Рассмотрение в пределах одной науки микроскопических и планетарных явлений — это не попытка механически объединить разнородные феномены, а результат наблюдений, свидетельствующих о единой, хотя и многоуровневой системе трофических связей. На одном полюсе этой системы стоит трофика клетки как необходимое условие жизни, на другом — превращение и перемещение огромных масс веществ и энергии в биосфере в результат© трофической иерархии и взаимосвязанности организмов в масштабах планеты. Это позволяет воспринимать биосферу в определенном смысле как трофосферу, где пищевые связи образуют замкнутый контур. Грандиозность и различия масштабов, которыми оперирует трофология, не должны удивлять. Хотя носителями жизни служат отдельные организмы, в ее основе лежат элементарные процессы на молекулярном и клеточном уровнях, а в целом жизнь возможна лишь как планетарное явление. На всех уровнях организации живых систем начальное звено жизненного цикла — ассимиляция, являющаяся предметом трофологии.

Но не в меньшей мере формирование трофологии необходимо для различных медицинских наук, так как трофика тканей и ее нарушения, различные проблемы гастроэнтерологии, теоретические и прикладные аспекты науки о питании — это в действительности нерационально разделенные части одной общей проблемы — проблемы ассимиляции пищевых веществ организмами, стоящими на разных уровнях эволюционной лестницы. Эту проблему следует рассматривать с некоторых унитарных позиций на основе более обширных и глубоких, чем ранее, взглядов. Эти взгляды должны опираться на общебиологические и эволюционные закономерности, на огромный клинический опыт, а также на достижения ряда наук, особенно химии и физики.