Естественные технологии биологических систем

Адаптация к ионным нагрузкам. Недавно обнаружено, что при хроническом поступлении калия в организм последний становится устойчивым к таким нагрузкам, которые у неадаптированных организмов вызывают смерть. Следовательно, возникает толерантность к калию. Такая адаптация включает в себя множество механизмов, в том числе усиленное выведение ионов калия из внутренней среды почками и слизистой толстой кишки. Анализ функций этих органов показал удивительное сходство реакций. Эпителиальные клетки дистального отдела почечных канальцев и толстой кишки (ее проксимальных и дистальных отделов) отвечают на гиперкалиемию усиленным откачиванием калия в люминальную жидкость. В обоих случаях этот процесс достигается увеличением количества таких насосов, как Na ⁺,K ⁺– ATФaзa, в базолатеральных мембранах клеток.

Таким образом, первоначальное предположение об изменении активности каждого насоса, а не только их количества не подтвердилось. Эта реакция дает убедительный пример того, что адаптация к изменению солевого режима может достигаться путем увеличения или уменьшения числа неизменных функциональных блоков, в данном случае Na ⁺,K ⁺– ATФaз. Этот же эффект, т.е. усиленная функция Na ⁺,K ⁺– ATФaза за счет увеличения количества функционирующих элементов, определяет адаптивный подъем уровня всасывания в тонкой кишке. По-видимому, в качестве регулирующего сигнала используется повышение концентрации альдостерона в крови. Дистальные почечные канальцы и слизистая толстой кишки служат органа-ми-мишенями альдостерона. Усиленная продукция альдостерона при понижении поступления в организм натрия также сопровождается увеличением активности Na ⁺,K ⁺– ATФaзы. Среди деталей этого адаптационного механизма существенную роль играют изменения мембранных потенциалов и использование перицеллюлярных путей.

Одним из экспериментальных подтверждений существования адаптационных перестроек за счет перераспределения функциональных блоков служит недавнее наблюдение. В нем показаны адаптивные перестройки, обеспечивающие высокую проницаемость воды под влиянием антидиуретического гормона в результате встраивания предсуществующих стандартных блоков, транспортирующих воду и ионы натрия (рис. 45).

Рис.45. Возможная схема эффектов антидиуретического гормона (АДГ) на потоки Na ⁺и воды.

АДГактивирует предсуществующие неподвижные натриевые каналы апикальной мембраны клетки и мобилизует цитоплазматические везикулы, которые сливаются с этой мембраной, увеличивая проницаемость эпителия для воды и транспорт Na ⁺.

Адаптационно-компенсаторные реакции при патологии. Недавно Т. Чаки и Е. Фишер подвергли анализу нерасшифрованный феномен усиления всасывания глюкозы в тонкой кишке при экспериментальном диабете, вызванном аллоксаном или стрептозотоцином. Они установили, что после возникновения диабета у крыс усиленное всасывание глюкозы в тонкой кишке стимулируется не недостатком инсулина, не прямым действием диабетогенных веществ непосредственно на кишечные клетки, а повышением уровня сахара в крови. Существенна обнаруженная высокая специфичность этого процесса. Так, повышение в крови уровня глюкозы после ее внутривенного введения сопровождается преимущественным усилением глюкозного транспорта в тонкой кишке. После введения галактозы наблюдается резкое повышение галактозного транспорта. Транспорт фруктозы также увеличивается после ее внутривенного введения. Транспорт глюкозы усиливается после внутривенпого введения всех других сахаров, что понятно, если учесть, что инфузия всех пх сопровождается повышением уровня глюкозы в крови. Эффект связан, как и в случае адаптации к калиевым нагрузкам, с усиленным синтезом новых транспортных единиц и может быть предупрежден введением циклогексимида.

Анализ природы и локализации транспортеров, вновь синтезированных при адаптации к высокому уровню сахара в крови, показал, что они локализованы, по-видимому, в базолатеральной мембране кишечных клеток и чувствительны не к флоридзину, а к флоретину. Как известно, первый ингибирует преимущественно транспортеры глюкозы, локализованные в апикальной мембране клеток, а второй — в базолатеральной. Хотя, как пишут авторы, природа подобных явлений неизвестна, эти результаты перекликаются с нашими данными о существовании транспортно-метаболических циклов, в частности энтерогематической циркуляции глюкозы. Действительно, нами продемонстрировано, что в тонкой и толстой кишке выделяется и реабсорбируется значительное количество жидкости. Скорость реабсорбции глюкозы такова, что обеспечивает полную реутилизацию этого и, по-видимому, других ценных компонентов крови. При диабете возникает повышенное выделение глюкозы с мочой и вместе с тем индукция реабсорбционных процессов, что, вероятно, предупреждает значительные потери глюкозы. Возможно, этот механизм является общим для всех тканей, я том числе и для почек,

В целом развитие компенсаторных процессов на фоне патологии также подчиняется тем закономерностям перестроек, которые реализуются за счет изменения (увеличения или уменьшения) числа функциональных блоков или их перераспределения.

7.5. Побочные эффекты и организация экосистем

Идея активного управления природой давно овладела человечеством. Она появилась раньше, чем было достигнуто понимание опасности и неоднозначности такого вмешательства. Стратегия химических воздействий человека на природу базировалась на двух посылках. Первая заключалась в том, что человек достаточно ясно представляет себе связи между отдельными явлениями природы и биоценозами, вторая — что он достаточно хорошо понимает природу каждого явления, происходящего в окружающем нас мире. На этом основании предпринимались попытки избирательно уничтожить или увеличить определенную популяцию, заменить одну популяцию другой, один тип биогеоценозов другим и т.д. Однако во всех случаях раньше или позже в том или другом регионе возникали неожиданные и часто весьма нежелательные последствия. Обратим внимание на ту сторону проблемы, которая связана с концепцией универсальных функциональных блоков.

Когда человек пытался уничтожить определенную популяцию растений или животных, например насекомых, казалось, что он выработал вещества, обладающие высокой или абсолютной избирательностью в отношении насекомых данного типа. Так было с паразитическими насекомыми (клопами, вшами и многими другими), когда был разработан казавшийся особенно эффективным ДДТ. Однако специфичность ДДТ слишком широка. Именно на основе открытия пуринергических и аминоацидергических нервов у насекомых был достигнут токсический эффект, направленный только против насекомых. Оказалось, что побочные эффекты касаются также высших животных и человека. Вскоре последовали открытия аналогичных типов иннервации и у всех других организмов. Более того, кроме эффектов заноса токсикантов наблюдаются эффекты их концентрирования в пищевых цепях. В результате этого во многих случаях вещества, поступающие в незначительных количествах в организм насекомых, концентрируются, например, в организме птиц, что приводит к их гибели. То же самое можно сказать и в отношении гербицидов. Другими словами, концепция универсальных функциональных блоков приводит к тому, что во взаимоотношениях человека с природой именно в силу общности блочной структуры и единства принципов функционирования необходимы высокая осторожность и высокая подготовленность.

В ряде случаев вещества, которые неэффективны сами по себе, могут действовать после их трансформации. Так, многие стероидные гормоны, в том числе экдизон, действующие на насекомых, не оказывают влияния на человека, но, трансформируясь бактериальной флорой его желудочно-кишечного тракта, превращаются в активные стероиды.

Наконец, универсальность функциональных блоков требует осторожности при применении не только пестицидов, инсектицидов, гербицидов и т.д., но и активирующих веществ, например различных стимуляторов роста растений и сельскохозяйственных животных. Использование стимуляторов роста является проблемой, заслуживающей пристального внимания. Она должна быть проанализирована со всей тщательностью.

***

Трудно перечислить все проблемы, вытекающие из концепции универсальных функциональных блоков. Казалось важнее рассмотреть возможности, открываемые этой концепцией, и ограничения, накладываемые ею. Представлялось существенным показать на нескольких теоретических и практических примерах особенности блокового подхода к пониманию и интерпретации ряда феноменов.

Существование универсальных функциональных блоков приводит в соответствие понимание «генетических» сторон жизни, в основе которых лежит функциональная информационная единица — ген, и «физиологических» сторон жизнедеятельности, в основе которых также лежит функциональная единица — функциональный блок. Эволюция путем рекомбинации функциональных блоков — в высшей степени сложный процесс, так же как и эволюция путем рекомбинации генов. В обоих случаях эволюция не исчерпывается явлениями рекомбинации. Однако важность механизма требует, чтобы физиологи, а вслед за ними и генетики признали существование нескольких специальных групп генов, контролирующих места экспрессии и ее степень. Именно мутации в генах, контролирующих распределение и сочетание функциональных блоков, могут давать наиболее эффективные и перспективные новшества. Более того, естественный отбор может осуществлять селекцию генетически детерминированных вариантов с разным распределением функциональных блоков и, следовательно, с вариацией функциональных возможностей. В частности, универсальность функциональных блоков позволяет не изобретать на каждой ступени эволюционной лестницы новые системы управления, а использовать некоторые универсальные совершенные блоки.

Трофические связи в трофосфере создают базу для единства и взаимодействия особей в пределах популяции, в пределах данной экосистемы и даже в планетарном масштабе. В то же время великое единство природы создает трудности, так как яды, направленные против организмов одного вида, могут действовать на организмы многих других видов. Вмешательство человека в природу и собственный организм может приобрести подчас неожиданные формы и привести к тяжелым последствиям. Концепция универсальных функциональных блоков не исключает химического управления живой природой, но заставляет учитывать многие опасности и помогать избежать их.

Глава 8. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ЕСТЕСТВЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

Признание естественных технологий влечет за собой многочисленные теоретические и практические следствия, касающиеся биологии, промышленности, сельского хозяйства, медицины и т.д. Наука становится технологичной, а технология — естественнонаучной. Взаимодействие естественных процессов и технологий неизбежно. В связи с этим биосфера превращается в технобиосферу, т.е. в сложную интегральную систему, представляющую собой продукт естественных и производственных технологий. Некоторые критические замечания, которым подверглись развиваемые мною представления о естественных технологиях, связаны с непониманием того, что смысл этого понятия в настоящее время изменился.