Тысячелетняя тайна раскрыта

Еще первобытные люди знали, что пища, попав в желудок человека и животных, переваривается. Свежуя туши убитых животных, они, конечно, заглядывали и в желудок. Ведь и теперь редкая хозяйка устоит от соблазна узнать, что съела на обед щука и нет ли в курином желудке среди камешков и песка чего-нибудь особо интересного. Охотники, вскрывая животных, вместо мяса, травы и семян находили в желудках и кишечнике своей добычи кашеобразную массу. Создавалось впечатление, что пища здесь варится.

О том, как это происходит, узнали значительно позже. Съеденная пища изменяется не под действием тепла: в желудке даже самых «горячих» теплокровных температура не бывает выше 38–43 градусов. Этого явно недостаточно. Переваривание идет с помощью пищеварительных соков, в которых содержатся особые ферменты.

Желудочно-кишечный тракт человека и животных – сложная химическая лаборатория. Поступающая сюда пища измельчается, смешивается с различными пищеварительными соками и постепенно продвигается из одного отдела в другой. В каждом отделе пищевая масса задерживается ровно столько, сколько необходимо для ее обработки, в каждом отделе на нее изливаются особые вещества. По мере переваривания, то есть разложения сложных химических веществ на простые (белков – на аминокислоты, жиров – на глицерин и жирные кислоты, углеводов – на моносахариды), происходит их всасывание. То, что не может быть переварено и использовано организмом, выбрасывается.

Много трудностей стояло на пути изучения этого процесса. Лишь в конце прошлого столетия великий русский ученый Иван Петрович Павлов завершил детальное изучение работы основных пищеварительных желез. Их оказалось немало, а главное, выяснилось, что для каждого вида пищи они приготовляют особый состав пищеварительных соков. За эти исследования академик Павлов получил высшую международную награду – Нобелевскую премию. Казалось, основная тайна пищеварения раскрыта. Однако радоваться было рано. Повторить весь процесс переваривания пищи в пробирке, вливая туда последовательно нужные пищеварительные соки, как это происходит у живых организмов, никому не удавалось. Нет, пища переваривалась и в пробирке, но только очень-очень медленно, намного медленнее, чем в желудочно-кишечном тракте.

Недавно советским ученым удалось разгадать и эту тайну. Выявилась удивительная вещь: пища, которая касается стенок кишечника, переваривается значительно быстрее, чем внутри пищевой массы. Нечто похожее происходит, когда готовят пищу на сковородке: то, что непосредственно касается ее стенок, поджаривается гораздо быстрее. Здесь дело понятное, ведь стенки сковородки много горячее, чем остальная пища, но почему стенка кишечника ускоряет переваривание, она же совсем не горяча?

Первым делом нужно было выяснить, действительно ли стенка кишечника ускоряет переваривание. Чтобы убедиться в этом, проделали следующий опыт. В одну из двух пробирок, содержащих одинаковое количество смеси крахмала и амилазы (фермента, расщепляющего крахмал), добавили кусочек кишки, взятой от свежеубитого животного. Здесь расщепление крахмала шло значительно быстрее. Значит, действительно стенка кишки ускоряет переваривание пищи. Как же оно происходит?

Проделали другой опыт. В пробирку с раствором крахмала на некоторое время положили кусочек кишки. Предполагали, что, если в кишке содержатся какие-то вещества, ускоряющие переваривание, они выделятся в пробирку. Затем кишку извлекли и к крахмалу прибавили амилазу. Переваривание шло по-прежнему медленно.

Может быть, из кусочка кишки не успело выделиться достаточного количества этого предполагаемого вещества? Провели новый опыт. Из кишечника свежеубитого животного приготовили экстракт. Уж в экстракте-то предполагаемое вещество должно было бы быть! Но прибавление экстракта в пробирку с крахмалом и амилазой не ускоряло переваривания. Значит, в стенке кишки никаких необходимых для переваривания веществ нет. В чем же дело?

Загадка разрешилась неожиданно. Помогало перевариванию устройство самой кишечной стенки. На поверхности клеток кишечного эпителия, обращенной в просвет кишки, есть ультрамикроскопические отросточки. Каждая клетка имеет приблизительно три тысячи таких отросточков! Благодаря этому площадь всей поверхности кишки очень велика. На этой огромной поверхности адсорбируются, то есть осаждаются, и удерживаются большие количества пищеварительных ферментов. Они выполняют роль катализаторов, ускоряя химические реакции. Ферменты вступают в химическое взаимодействие с участниками реакции, но после ее завершения вновь восстанавливают свой химический состав. Вот почему даже малые количества катализаторов могут вызвать заметное увеличение скорости химических реакций.

Естественно, что на поверхности кишечной стенки, где концентрация ферментов во много раз выше, чем внутри пищевой массы, переваривание идет очень энергично. Не беда, что общее количество ферментов не велико, ведь они могут многократно использоваться. Гораздо важнее, что они здесь находятся в очень высокой концентрации, поэтому даже малые количества обеспечивают большую скорость переваривания пищи.

Таким образом, пища переваривается в два этапа. На первом этапе внутри пищевого комка (где концентрация фермента невелика), движущегося по желудочно-кишечному тракту. Здесь происходит только первичная обработка пищи, пищевые комки распадаются на более мелкие, а те, в свою очередь, на отдельные молекулы. Основная же тяжесть по перевариванию пищи, разрушение молекул, падает на второй этап, когда пищеварение идет в пристеночном слое.

Пристеночное пищеварение, так назвали ученые этот способ переваривания пищи, дает организму массу преимуществ. Во-первых, возможность с помощью малых количеств ферментов обеспечить очень высокую скорость процессов, о чем уже говорилось. Во-вторых, большую экономию пищеварительных ферментов. Те ферменты, что адсорбируются на стенке кишки, сохраняются и долгое время служат организму, тогда как ферменты, попавшие внутрь пищевого комка, вместе с остатками непереваренной пищи выводятся наружу и теряются для организма. И наконец, в-третьих, окончательно переваренная, готовая для всасывания в кровь пища оказывается именно там, где и происходит всасывание: у самой кишечной стенки. Это очень ускоряет и улучшает всасывание. Сделанное открытие позволило разгадать еще одну тайну. Уже давно врачи замечали, что иногда у человека некоторые пищеварительные железы вследствие заболевания почти прекращают свою работу, а больные этого не замечают, на их пищеварении это почти не отражается. Как же тогда переваривается пища, оставалось загадкой. Теперь она разъяснилась. Крохотные количества ферментов, выделяемые больной железой, адсорбируются кишечной стенкой, накапливаются и сохраняются. Это и обеспечивает нормальное переваривание пищи.

Чем питается корова!

Вероятно, этот вопрос вызовет недоумение. Не только люди, далекие от сельского хозяйства, но даже маленькие дети прекрасно знают, что коровы питаются травой. Однако не спешите давать такой ответ: жвачных, а к ним относится и корова, нельзя считать истинно травоядными животными.

Как известно, в состав растений в большом количестве входит клетчатка. Из нее построены все клеточные оболочки. Чтобы использовать клетчатку как питательный материал и добраться до очень ценных веществ, заключенных внутри клеток, необходим фермент, способный ее расщеплять. Как это ни покажется на первый взгляд странным, пищеварительные железы коровы такого фермента не вырабатывают. И вообще почти ни у кого из животных, даже у короедов и всевозможных древоточцев, которые едят исключительно древесину, то есть сплошную клетчатку, такого фермента нет. Животные, приспособившиеся к грубой растительной пище, перерабатывают ее не сами, и прибегают к помощи мириад микроорганизмов, поселившихся в их желудочно-кишечном тракте.

Лучше всего деятельность такой микробной колонии изучена у коров. Помещается она в особом отделе желудка, называемого рубцом. В одном кубическом сантиметре содержимого рубца живет 15–20 миллиардов микроорганизмов. Они-то и питаются травой, которая поступает в желудок коровы. Поедая ее почти целиком, микроорганизмы неплохо поправляются на даровых кормах и неудержимо размножаются. Клетчатка травы идет на создание крахмало– и гликогеноподобных веществ тела микроба, а растительные белки превращаются в микробный белок.

Дальнейшая судьба размножившихся микроорганизмов не сложна, они очень легко перевариваются в следующих отделах желудка и кишечника, а глюкоза, аминокислоты, жирные кислоты и некоторые другие вещества, созданные ими, без дальнейшей переработки всасываются в кровь. Микроорганизмы и являются главным источником основных пищевых веществ. Поэтому корову правильнее считать не травоядной, а микробоядной.

Естественно, напрашивается вопрос: раз мы кормим не саму корову, а живущих у нее в рубце микробов, раз мы всего-навсего поставляем сырье на микробную фабрику, нельзя ли естественные корма заменить искусственными? Вопрос этот отнюдь не праздный.

Самое узкое место производства мяса, молока, шерсти и других продуктов – недостаточная обеспеченность сельского хозяйства кормами с богатым содержанием белка. В организме животных белок из неорганических соединений не образуется. Всю потребность в белке сельскохозяйственные животные покрывают за счет растений, которые могут его синтезировать из различных неорганических азотсодержащих веществ. Однако растительные корма, за исключением бобовых культур, бедны белками. А это очень плохо. Ведь для производства тонны мяса корма, бедного белками, нужно гораздо больше, чем богатого. И если в корме белка мало, организм использует его целиком, зато остальные содержащиеся в нем питательные вещества усваиваются лишь частично. Поэтому для получения достаточного привеса приходится тратить огромные количества корма, отлично понимая, что часть их идет впустую. Вот почему ученые уже давно ведут поиски заменителей белка.

В настоящее время такие вещества созданы. И одно из них – мочевина, или карбамид. Для организма мочевина не является совершенно посторонним веществом. В процессе обычного расщепления белков возникает очень токсичное вещество – аммиак, который инактивируется печенью и в виде мочевины выводится из организма.

В Советском Союзе использование карбамида на корм скоту было начато еще в 1959 году. Попав в рубец жвачных, карбамид гидролизуется там в аммиак, из которого, в свою очередь, синтезируется микробный белок. Огромный объем рубца, достигающий иногда 100 литров, позволяет синтезировать значительные количества белка. Тонна карбамида дает прибавку в размере 8–10 тысяч литров молока, 1,8–2,1 тонны мяса или 120 килограммов шерсти.

Использование карбамида на корм скоту должно быть строго регламентировано. Его нельзя скармливать в слишком больших количествах: микроорганизмы в этом случае не успеют полностью использовать весь образовавшийся аммиак, что приведет к отравлению. Карбамид нельзя давать отдельно от других кормов, так как микроорганизмам, живущим в рубце, для синтеза белков необходимо определенное количество энергии, которое они получают за счет использования клетчатки, крахмалов и сахаров. Кроме того, для синтеза белка необходимы витамины А и D, сера, фосфор, кобальт и другие минеральные вещества.

Использование мочевины в качестве кормовых прибавок не является чем-то неожиданным. Об этом, как и в большинстве подобных случаев, гораздо раньше человека «догадалась» сама природа. Животные пустынь, обитающие в условиях очень суровой и скудной природы, постоянно сталкиваясь с острым недостатком воды и пищи, научились утилизировать отходы белкового обмена. У верблюда, когда он голодает, мочевина почти не выделяется почками. Она остается в организме и поступает в желудок, на микробную фабрику, где из нее синтезируется белок.

Широкое внедрение мочевины в колхозную и совхозную практику ограничивается ее большой токсичностью. Там, где отсутствует очень строгий, скрупулезный контроль за ее использованием, возможны случаи массового отравления скота. Поэтому сейчас ведутся поиски более безопасных заменителей белка.

Уже удалось выяснить причины, которые приводят к отравлению животных при скармливании мочевины. Оказывается, в рубце жвачных есть фермент уреаза, которая очень быстро гидролизует попавшую туда мочевину. Образовавшийся при этом аммиак угнетает микробов. Они приостанавливают питание, а тем временем скопившийся в большом количестве аммиак проникает в кровь и отравляет животное. Значит, чтобы обезопасить корову от отравления, необходимо или создать условия, мешающие ферменту уреазе осуществлять гидролиз, или усилить деятельность микроорганизмов.

Недавно в Советском Союзе были опробованы два новых заменителя белка: фосфорнокислая мочевина и глюкозилмочевина. Введение в молекулу мочевины фосфора, по мысли ученых, должно было помешать действию фермента уреазы, а также обезвреживать образовавшийся аммиак. Введение углевода в молекулу мочевины (второй заменитель белка) должно было снабдить «коровьих микробов» питанием, то есть обеспечить энергией для синтеза из мочевины настоящих белков. Оба вещества оказались значительно менее опасными, чем мочевина, и применение их дало очень хорошие результаты.

Есть и другие способы использования заменителей белка. Микроорганизмы можно выращивать на фермах и уже затем скармливать скоту. Это дороже, сложнее и менее эффективно, зато совершенно безопасно и позволяет улучшить питание не только жвачных. В лаборатории профессора Л.Д. Петрова за счет развития микроорганизмов на обогащенном карбамидом картофеле количество белка в среде за 48 часов увеличивается в 3 раза. Этот корм, богатый белковыми веществами, можно с успехом давать свиньям.

Итак, интересная особенность пищеварения жвачных животных натолкнула ученых на мысль о возможности обогащения естественных кормов белками с помощью микробного синтеза и позволяет надеяться, что в недалеком будущем большую часть кормов для сельскохозяйственных животных начнут производить не на колхозных полях, а в цехах заводов и фабрик.

Кастрюльки бывают разные

У одноклеточных организмов нет специальных кастрюлек, чтобы готовить себе еду. Вокруг съеденного обеда у них образуется пищеварительная вакуоль, так сказать, временная кастрюлька, которая по окончании переваривания пищи исчезает.

Совсем иное дело более сложные организмы. Первые многоклеточные существа, появившиеся на нашей планете, – полипы и медузы – всего лишь живые кастрюльки. Сходство это не столько внешнее, сколько по существу. По виду-то они больше всего напоминают кисет, мешочек, состоящий из двух слоев клеток, с отверстием, через которое внутрь попадает пища и затем выбрасываются наружу все неудобоваримые остатки.

На попавшую в кастрюльку пищу специальные клетки выделяют особые вещества, под действием которых она слегка уваривается, распадаясь на отдельные кусочки. Они захватываются клетками внутренней стенки и довариваются уже здесь. Конечно, не каждая клетка стенок котелка может дотянуться до лакомого кусочка, но клетки не эгоистки, они делятся пищей со своими голодными соседками. Да и сами клетки скреплены у этих животных не намертво. Они как бы очень медленно текут, меняясь местами. Возможно, насытившиеся клетки, накопившие запасы питательных веществ, оттесняются в сторону более голодными.

Дело значительно осложнилось, когда появились более высокоорганизованные существа. Переваривание пищи уже было освоено и не вызывало особых затруднений. Зато проблема доставки пищевых веществ до каждой клеточки тела была еще совсем не разработана. На первых порах эту функцию взяла на себя пищеварительная система. Попросту говоря, кишечник старался дотянуться до каждой клеточки тела.

Так появились ветвистокишечные турбеллярии. Их огромный, как раскидистое дерево, кишечник служит основой, вокруг которой разрастается тело. Благодаря этому все клетки тела сыты. Конечно, система снабжения, занимающая чуть ли не 4/5 объема тела, очень громоздка, и в дальнейшем природа по этому пути не пошла, строго разграничив функции пищеварения и снабжения.

Природа полна контрастов. Одновременно с опробованием огромных пищеварительных органов была предпринята попытка обойтись вовсе без них. Действительно, зачем они нужны? Не проще ли пищу облить пищеварительными ферментами и, дождавшись, когда она переварится, всосать готовые пищевые вещества?

Среди тех же турбеллярий есть совсем уж крохотные бескишечные животные. Единственный пищеварительный орган у них – глотка, которая выделяет пищеварительный сок на подвернувшуюся добычу, а затем всасывает полупереваренную пищу. Глотка упирается в пищеварительные паренхиматозные клетки, лишенные оболочек и ничем друг от друга не отграниченные, куда, как в большую амебу, попадают пищевые частички и здесь окончательно перевариваются. Благодаря тому, что эти животные очень малы, все остальные клетки тела могут кое-как прокормиться.

Идея вынести кухню со всей ее грязной посудой и массой пищевых отходов наружу оказалась очень удачной, и многие животные с успехом используют этот своеобразный метод. Особенно часто к нему прибегают крохотные личинки насекомых, живущие в тканях животных или растений. Слабеньким челюстям очень трудно прокладывать путь сквозь живые ткани. Выделение пищеварительных соков очень помогает: окружающие клетки размягчаются, и личинка, поедая готовый обед, понемногу продвигается вперед. Этим способом пользуются и взрослые насекомые, втыкая острый стилет в листья или другие части растений и впрыскивая туда пищеварительные ферменты, под действием которых происходит разрушение клеточных структур и гидролиз крахмалов и полисахаридов в моносахара. Достаточно уварившееся варенье сластены с наслаждением сосут. Если насекомые предпочитают скоромную пищу, то вкалывают стилет в своих собратьев или в кого-нибудь еще и впрыскивают им под кожу капельку ферментов.

Выносить кухню наружу оказалось выгодно и для крупных животных. Во всех океанах земного шара живут морские звезды. Эти красивые и довольно медлительные животные – страшные хищники. Излюбленной пищей для них служат устрицы. На устричных банках морские звезды производят настоящие опустошения. Долгое время оставалось тайной, как неповоротливая морская звезда раскрывает плотно сжатые створки устрицы. Недавно удалось изучить охотничьи повадки хищника. Оказывается, морские звезды и не пытаются открыть створки раковины моллюска силой. Они поступают гораздо проще. Вывернув наизнанку свой желудок, звезда подкарауливает момент, когда устрица хоть немножко приоткроет раковину. Достаточно крохотной щелки в один миллиметр шириной, чтобы желудок оказался в домике моллюска. Теперь звезда без всяких помех может переваривать свою жертву в ее же собственном доме. А когда моллюск погибнет и створки его сами собой раскроются, нетрудно и «обглодать» дочиста всю внутреннюю поверхность раковины.

Некоторые современные животные предпочитают не связываться со стряпней, а подыскивают удобную «столовую» или недорогой «ресторанчик» и там постоянно питаются. Речь идет о гельминтах – кишечных паразитах. Эти вредные, отвратительные существа не озаботились приобретением каких-либо пищеварительных органов. Вернее, они просто постарались от них избавиться, так как их предки, несомненно, обладали какими-то из этих приспособлений.

Кишечные паразиты предпочитают жить на готовом, и это им легко удается. Оказавшись в кишечнике человека или животного, они сосут всем телом через покровы переваренную пищу, которую приготовил для себя их хозяин.

Впрочем, приспособиться к такой жизни, наверное, не легко. Чтобы жить в кишечнике, они должны были научиться обходиться без кислорода и обзавестись такой прочной кутикулой (поверхностной оболочкой), которая надежно предохраняет их от переваривания пищеварительными соками хозяина, но не мешает всасывать переваренную ими пищу.

Кишечных паразитов абсолютными лентяями назвать, пожалуй, нельзя. Им все-таки приходится трудиться над всасыванием. В мире существуют и гораздо большие лентяи. Об одном из подобных лежебок у украинцев существует веселый анекдот.

Вот такие же лежебоки обитают в глубинах океана. Это самцы глубоководных удильщиков.

Долгое время самцов и самок удильщиков ученые относили к совершенно разным видам, так как они непохожи друг на друга. Самцы значительно меньше самок и не имеют знаменитой удочки. Став взрослыми, они начинают мечтать о подруге и пускаются на ее поиски. От любви к будущей супруге удильщики совершенно теряют аппетит, во всяком случае, ничто другое им питаться не мешает. Однако они ничего больше в рог не берут, и, если не разыщут самки раньше, чем израсходуют все запасы подкожного жирка, гибнут от голода.

Разыскать подругу совсем не легко, удильщики – рыбы редкие, живущие в одиночку. Только немногие из выловленных самок имели при себе самцов. Понятно, что, если встреча все-таки произошла, самец очень боится лишиться подруги, поэтому, не теряя времени, вцепляется ей зубами в какое-нибудь мяконькое местечко да так и остается висеть на своей супруге. Постепенно он прирастает к самке, и несовместимость чужеродных тканей почему-то этому не мешает. Одновременно у него атрофируются органы чувств и почти все другие внутренние органы, в том числе и пищеварительная система, лишь семенники продолжают усиленно функционировать. Все необходимое: кислород и питательные вещества супруг получает от самки с кровью. Лентяю даже всасывать пищу не нужно, ни макать, ни глотать, только распространить равномерно по всему телу.