ВМЕСТО ПОСЛЕСЛОВИЯ (ответы на возникающие вопросы)
ВМЕСТО ПОСЛЕСЛОВИЯ
(ответы на возникающие вопросы)
Когда рукопись этой книги была готова к опубликованию, ее прочитали мои коллеги, работающие в различных областях науки и техники. Трудно переоценить ту пользу, которую принесло обсуждение затронутых проблем с первыми читателями. Должен отметить, что ряд замечаний нашел отражение на страницах книги. В то же время некоторые вопросы было трудно осветить при современном состоянии науки, а на другие нельзя ответить, не нарушая логику книги.
Все это потребовало применить непривычный в научной книге прием и последний раздел посвятить вопросам и ответам.
Вопросы могут быть сведены в несколько групп:
1) вопросы, возникшие в результате пропусков в книге;
2) вопросы, появившиеся вследствие недостаточного освещения отдельных сторон затронутых проблем;
3) дискуссионные вопросы. Все они важны, но особое значение имеют вопросы, содержащие в явной или скрытой форме элемент критики развиваемых в книге взглядов.
Однако все эти вопросы сгруппированы не по таким признакам, а по следующим проблемам: 1) естественные технологии и технологические подходы; 2) эволюционные и экологические аспекты естественных технологий; 3) универсальные функциональные блоки; 4) естественные технологии и трофология; 5) технологические предсказания. Некоторые вопросы, касающиеся одновременно нескольких указанных проблем, освещены при рассмотрении лишь одной из них.
Естественные технологии и технологические подходы
Вопрос. Не являются ли технологические подходы удобным способом описания природных явлений, и не более того?
Ответ. В этой книге, как и в монографии, опубликованной в 1985 г., неоднократно подчеркивалось следующее. Если исходить из традиционного определения технологии как способов производства и навыков ремесла, то описание принципов работы естественных биологических систем может быть либо образной интерпретацией, либо, с точки зрения креационизма, анализом созданных творцом технологий. С позиций всеобщей технологии, определяемой как наука о сложноорганизованных процессах, технологические подходы к естественным явлением вполне правомочны и закономерны. Такие подходы применимы как к анализу деятельности человека (искусственные технологии), так и к анализу законов живой природы (естественные технологии). Важно, что технологические подходы позволяют выявить некоторые наиболее общие закономерности (например, принцип эффективности) или различия, которые все еще существуют между несовершенными творениями рук человеческих и продуктом эволюционного процесса, продолжающегося уже более 4 млрд. лет. В сущности, в трудах наших крупнейших естествоиспытателей — И. М. Сеченова, И. П. Павлова, В. И. Вернадского, Н. А. Бернштейна неоднократно подчеркивалось, что при изучении живых систем необходим анализ физиологических процессов с точки зрения их эффективности.
Таким образом, технологическое описание отражает сущность организованных процессов, а не является только дидактическим приемом.
Вопрос. Удачен ли термин «естественная технология»? Не лучше ли науку об организованных биологических процессах назвать как-то иначе, оставив за технологией ее прежнее, более узкое и утилитарное название?
Ответ. Действительно, ранее предполагалось использовать некоторые другие термины. К ним относятся, например, такие, как «процессология», т.е. наука о структуре процессов и законах их организации; «инженерная биология», т.е. наука, которая оценивает биологические явления с инженерных позиций; «эргология», т.е. наука о закономерностях и законах реализации работы или определенным образом организованной деятельности различных систем и т.д. Однако термин «естественная технология» и особенно представления о взаимодействии естественных и производственных технологий чрезвычайно удачны и плодотворны. Несоответствие искусственных и естественных технологий — одна из самых фундаментальных проблем и один из наиболее трагических аспектов современной истории человечества. Если же в рамках одной науки объединить проблемы, обозначенные как естественные технологии, с одной стороны, и искусственные (производственные) технологии — с другой, то это даст возможность более точно оценивать и глубину противоречий между природой и человеком, и пути выхода из экологического кризиса. Необходимо также заметить, что естественная технология как наука об организованных биологических процессах открывает новые горизонты не только для понимания закономерностей жизни и естественных процессов, но и для развития активности человека, которая должна все более приобретать характер синтетической технологии.
В заключение следует сказать, что основное различие между классической технологией и естественной технологией как наукой заключается в следующем: первая разрешает вое, что возможно, что не противоречит законам физики и химии, тогда как вторая добавляет ряд «естественных» законов, которые вводят новые запреты и ограничения, тем самым указывая на границы возможного.
Вопрос. Не являются ли технологические подходы опасным путем, который может привести к абсурдным построениям, например к технологии движения электронов или к технологии поведения?
Ответ. В сущности, этот вопрос состоит из двух частей: 1) есть ли границы технологических подходов? 2) являются ли технологиями поведенческие процессы и движение электронов?
Итак, ответ на первую часть вопроса. Технологией охватываются все организованные процессы. Несмотря на отсутствие исчерпывающей характеристики организованности, ее некоторые признаки могут быть даны уже сейчас. Организованные процессы определяются некоторым алгоритмом составляющих их операций, что обеспечивает определенный конечный эффект. Как правило, организованные процессы требуют затраты энергии, определенной программы и саморегуляции. Наконец, они характеризуются распределением в пространстве и времени структурных элементов и функциональных эффектов. С этой точки зрения ясно, что явления, свойственные живым компонентам биосферы (от клетки до планеты в целом), могут рассматриваться как естественные технологии. Однако во многих процессах, протекающих в неживой природе, отсутствует одна или несколько необходимых характеристик естественной технологии. Следовательно, они лишь на первый взгляд напоминают такую технологию.
Ответ на вторую часть вопроса. Учитывая вышеизложенное, описание движения электрона с точки зрения технологии не оправдано. Что касается поведения, то такой процесс вполне может быть рассмотрен как определенная технология. В качестве примера можно привести охоту хищника за жертвой (например, мангусты за змеей). По-видимому, анализ более сложных форм поведения животных и особенно человека с позиций технологии дает ряд преимуществ и вполне оправдан. Вероятно, нельзя считать невозможным возникновение технологических концепций в различных областях физиологии и психологии человека. В западной литературе яркие попытки технологического анализа поведения человека можно найти, например, у В. Шекспира и особенно у О. де Бальзака, а у нас в первую очередь у А. С. Пушкина, Ф. М. Достоевского и JI. Н. Толстого.
Конечно, все свести к технологии не только невозможно, но и не нужно. Однако следует подумать, не существует ли с этических позиций оптимальная технология взаимоотношений людей.
Вопрос. Не вполне ясно, каково соотношение естественной технологии как науки с кибернетикой, бионикой и рядом других областей знаний, например с инженерией в широком смысле, а также с разработкой стратегии и тактики?
Ответ. Эти и другие науки включаются, а точнее, используются естественной технологией как наукой об организованных биологических процессах. Даже сравнительно простые организованные процессы могут быть охарактеризованы с информационных позиций. Действительно, они являются в сущности информационными процессами, так как информация и управление — обязательные элементы организованного процесса. Но естественные и искусственно организованные процессы осуществляются с помощью некоторых систем, или устройств, которые имеют энергетические и структурные характеристики и обладают физическими, механическими, химическими и другими свойствами. Можно также описать взаимодействие (но не совпадение) естественной технологии с теорией игр, стратегией и тактикой. Последние являются, фигурально выражаясь, теоретическими тенями технологий, в частности естественных.
Интересно сопоставить военные аспекты стратегии и тактики с технологией, так как технология войны также существует. Анализ такой технологии удивительно интересно и глубоко приведен, например, Л. Н. Толстым в романе «Война и мир».
Вопрос. Как соотносятся технологические подходы с теоретической биологией и теоретической физиологией?
Ответ. Представляется, что технологические подходы — необходимый элемент теоретической биологии и физиологии. Жизнь, как неоднократно отмечалось, необычайно сложный организованный процесс, а технология в новой интерпретации является наукой о сложных процессах. Ясно, что трудно представить себе теоретическую биологию и физиологию без учета блоковой организации биологических систем и основополагающих принципов естественных технологий (принципы эффективности, управления, множественности, сохранения, компромисса и т.д.).
Вопрос. Как объяснить, что в книге нередко смешиваются научные и этические аспекты естественных технологий?
Ответ. Вероятно, это справедливое замечание. В то же время можно сказать, что при рассмотрении технологических аспектов жизни, природы и общества трудно разделить этические и научные аспекты, тем более что нравственная сторона науки возникает как ее высшее достижение и в свою очередь влияет на нее. Важно, что технологические подходы придают новое звучание многим фундаментальным этическим концепциям.
Вопрос. Каково Ваше отношение к научному эссе Станислава Лема «Сумма технологии»?
Ответ. Станислав Лем — один из великих научных фантастов, а также «научно-художественных» мыслителей нашего времени. Восхищение им и многими его творениями понятно. В частности, работы Лема позволяют понять глубочайшие различия между развиваемой концепцией естественных технологий и всеобщей технологии, с одной стороны, и традиционной великой производственной технологией — с другой. Последняя в самых ярких красках и подчас парадоксальных ракурсах описывается в «Сумме технологии».
Многое из того, что является высшим достижением или высшей целью производственной технологии, ограничивается или запрещается основными правилами естественной технологии. Ярким примером этому служит идея живого океана, мыслящего, действующего и эволюирующего как единое целое (С. Лем. «Солярис»). С точки зрения естественной технологии и принципа блочности формирование подобной системы невозможно, а эволюция немыслима. Прогрессивная эволюция — это эволюция, связанная со специализацией на разных уровнях организации (от клеточного до биосферного) . Поэтому даже если бы исходные живые системы были бы гомогенны, то их развитие привело бы к формированию взаимодействующих, но специализированных структур.
Вопрос. Не является ли упрощением технологический подход к вопросам сущности жизни и эволюции, к вопросам экологии и взаимоотношениям человека и природы, к анализу свойств человека и к воздействиям (например, врачебным) на него?
Ответ. Ответ на этот сложный вопрос можно условно разделить на две части.
1. К сожалению, следует признать, что любое научное описание явлений природы и ее законов — это лишь наша интерпретация. Действительно, современные теории происхождения жизни и эволюции живого в сущности являются упрощением реального процесса возникновения жизни и его дальнейшей эволюции. По-видимому, то же самое можно сказать и о теории элементарных частиц. Вместе с тем даже вульгарная интерпретация явлений природы дает возможность хотя бы приблизиться к пониманию, если так можно выразиться, их контуров. Самое удивительное, что примитивные научные заключения, к сожалению, позволяют реализовать эффективные практические действия. Как правило, они разумны по первичным итогам, но таят опасность в своих более отдаленных последствиях. Первое свидетельствует, что контуры в какой-то мере соответствуют действительности, второе — что на самом деле главное мы по-прежнему еще не постигли.
В целом концепция естественных технологий, как и любая научная концепция, не свободна от упрощения.
2. Представления о естественных технологиях и об общих законах естественных и производственных технологий позволяют преодолеть пропасть между производственной деятельностью человека и влиянием антропогенных факторов на природу. Когда природа рассматривается с точки зрения естественных технологий в глобальных масштабах, то она сама становится более понятной и, следовательно, более близкой нам. Можно полагать, что такой всеобщий технологический подход не только теоретически обоснован, но и практически плодотворен, а также высоко морален. Он лишает людей многих иллюзий и тем самым напоминает об истинных следствиях человеческой деятельности на нашей планете в рамках плохо согласованных естественных и производственных технологий. Это касается, например, увеличения концентрации углекислого газа в атмосфере и изменения циркуляции кислорода вследствие порубок лесов, влияния химического регулирования живых систем с помощью «специализированных» токсикантов (гербицидов, инсектицидов, пестицидов, дефолиантов и т.д.), включения промышленных отходов в биологические мегасистемы и т.д.
Следует иметь в виду важность технологических подходов для охраны здоровья человечества (например, для разработки оптимальной композиции пищи, методов ее консервации, приемов управления эндокринологией человека и т.д.). Важно, что многие виды человеческой деятельности, кажущиеся сегодня второстепенными, с точки зрения естественной технологии как науки превращаются в проблемы глобального масштаба. К их числу относится, в частности, использование антибиотиков для лечения инфекционных заболеваний человека и животных.
Эволюционные и экологические аспекты естественных технологий
Вопрос. Как соотносятся синтетическая теория эволюции, теория нейтральности и теория физиологической эволюции?
Ответ. Соотношение синтетической теории эволюции и теории нейтральности охарактеризовал М. Кимура в своей, ставшей классической, работе «Молекулярная эволюция : теория нейтральности» (М.: Мир, 1985. 398 с.). Для этих теорий свойственно углубленное рассмотрение генетических аспектов жизни и диалектическое отношение к эволюционным закономерностям фенотипа. Следует напомнить, что физиологическая эволюция — важная грань целостного эволюционного процесса, причем прогресс общей эволюционной теории невозможен без разработки не только генетических, но и физиологических аспектов. Необходимо иметь в виду следующие обстоятельства.
1. В фенотипе реально существуют не только структура и функция, но и их эффекты. Последние определяют многие особенности эволюции, в частности прогрессивную структурно-функциональную эволюцию, включающую в себя специализацию и дифференциацию. Под контролем отбора находятся как полезные, так и побочные эффекты. При изменении условий существования организма побочные эффекты могут становиться полезными или вредными. Кроме того, каждая структура и функция имеет метаболическую стоимость, которая может рассматриваться как негативный эффект. Только благодаря действию отбора на все типы эффектов и достигается изменение структур и функций, которые модифицируются в результате изменений наследственной информации. Последняя контролирует структуры и функции, в том числе регулирующие (но не эффекты).
2. Принцип эффективности характеризует не только важные механизмы эволюционного процесса в целом, но и запрещает полное совершенство, объясняет атрофию ненужных структур и многие другие особенности эволюционного процесса.
3. Принцип блочности — другой крайне существенный принцип организации биологических систем — намечает как основные пути эволюции, так и возможные ограничения. Эти ограничения в информационных теориях эволюции отсутствуют. Следует заметить, что пути эволюции определяются свойствами как информационных, так и работающих систем. Однако благодаря блестящим успехам генетики до сих пор основное внимание уделялось лишь первым из них.
Вопрос. Как объяснить, что в ряде случаев теория нейтральности в молекулярной эволюции, развитая М. Кимурой и вслед за ним многими другими, находится в противоречии с представлением об эволюции на основе универсальных функциональных блоков?
Ответ. Действительно, мысль, что эти две теории противоречат или даже исключают одна другую, высказывалась неоднократно. На первый взгляд представления о стабильности, консервативности универсальных функциональных блоков в ходе эволюции противоречит теории нейтральности и сходным теориям, которые постулируют неизбежность дивергенции молекулярных структур в результате обязательных точечных мутаций. Однако при глубоком рассмотрении нетрудно видеть, что противоречия не существует и стабильность функциональных блоков, т.е. структур, непосредственно участвующих в выполнении определенных функций, является следствием стабилизирующего действия отбора. Механизмы этой стабилизации были охарактеризованы нами ранее с различных точек зрения. Концепция универсальных функциональных блоков объясняет не только многие удивительные свойства живых систем, но и позволяет предсказать ряд явлений, что невозможно сделать с позиций других теорий.
Вопрос. Каково соотношение концепций физиологической эволюции, функциональной эволюции и эволюции функций?
Ответ. Концепция физиологической эволюции шире представлений об эволюции функций или функциональной эволюции. Представления о последней могут рассматриваться как обобщенная теория эволюции функций,
Физиологическая эволюция включает в себя весь комплекс проблем, охватывающих эволюцию функций, структур и их положительных и отрицательных эффектов, а также генетических систем, контролирующих формирование структур и осуществляемые ими процессы. Концепция физиологической эволюции опирается на идеи, заложенные в теориях эволюции функций и структур, и развивает их на современном уровне знаний.
Вопрос. При рассмотрении эволюции говорится об эволюции естественных технологий. Можно ли говорить также о технологии эволюции?
Ответ. Прежде всего следует сказать, что справедливо и то и другое. Сначала о технологии эволюции. Это важный способ характеристики эволюционного процесса, так как он происходит на основе принципа эффективности. Об этом неоднократно упоминалось в данной книге, а также в монографии, опубликованной в 1985 г. Принцип эффективности определяет многие существенные особенности эволюционного процесса, в частности специализацию структур и функций, невозможность формирования предельно совершенных систем и т.д. Для понимания технологии эволюции важны также многие другие принципы естественных технологий, в том числе принципы блочности, множественности, мультиэссенциальности, компромисса, мультифункциональности и мультипотентности и т.д.
Несколько слов об эволюции естественных технологий. Для понимания общих законов эволюции существенно, что живые системы на всех уровнях организации (от субклеточного до планетарного) могут рассматриваться как некоторые естественные технологические системы. Поэтому те пути, которые приводят к потере технологических достоинств, к нарушению или разрушению технологий, запрещаются.
Вопрос. Создается впечатление, что суждения о естественных технологиях в связи с экологической деятельностью человечества содержат упрек гуманизму. Так ли это?
Ответ. Первоначальное истолкование гуманизма, в котором человек и интересы человечества ставятся выше интересов природы в целом, противопоставляются природе или удовлетворяются в ущерб ей, по-видимому, исчерпало себя. Скорее его можно рассматривать как этап гуманистического мышления в наиболее высоком смысле этого слова. Новый этап развития общих этических концепций гуманизма может быть лучше выражен понятием «гармонизм», т.е. понятием, включающим в себя более глубокое представление о единстве и гармонии природы и человека, который сам является частью природы. Можно полагать, что гармонизм тесно связан с идеей ноосферы В. И. Вернадского.
Универсальные функциональные блоки
Вопрос. Можно ли дать в настоящее время удовлетворительную систематику функциональных блоков?
Ответ. Сейчас возможна лишь предварительная систематика функциональных блоков, которая отчасти представлена в гл. 5 и 6. Функциональные блоки могут быть разделены на следующие большие группы: 1) трансформационные блоки, к которым относятся ферменты различных типов, 2) транспортные блоки,
3) сократительные блоки, 4) регулирующие блоки и др. Следует, однако, иметь в виду, что многие группы функциональных блоков пока неизвестны. Например, можно предположить существование специальных блоков, обеспечивающих организованную разборку клеточных структур. Косвенно в пользу этого свидетельствует то обстоятельство, что легко разрушающиеся кишечные клетки превращаются в стабильные структуры после обработки их глицерином. Его действие сводится прежде всего к экстракции различных, в том числе белковых, компонентов, среди которых, вероятно, должен быть и дезинтегрирующий клетку фактор. В нашей лаборатории было показано, что при индуцированном аутолизе дезинтеграция аутолизируемой в кислой среде мышцы резко увеличивается в присутствии пищеварительных слизей. Это позволило высказать предположение, что при переваривании дезинтеграция структур мышцы возникает в результате комбинированного действия ферментов, реализующих гидролиз ряда связей, а также сурфоктантов слизи. Последние обеспечивают разрушение соответствующих структур путем образования комплекса продукт реакции —субстрат—дезинтегрирующая молекула.
Рис. 47. Схема мембраны эритроцита человека с возможным положением белка «полоса 3» относительно других компонентов мембраны.
1 — мембрана; 2 — цитоплазма; 3 — белок «полоса 3»; 4 — гликофорин; 5 — актин; 6 — белок 4.1; 7 — спектрин; 8 — белок 4.2; 9 — анкирин; 10 — альдолаза; 11 — хемихромы; 12 — гемоглобин-2; 13 — гемоглобин-4.
Недавно появилось сообщение о существовании молекул специального типа, направляющих развитие клеточных структур в пространстве. Интересно, что технологический анализ биологических процессов позволяет высказать правдоподобное предположение относительно участия функциональных блоков определенного типа в анализе процесса и далее проверить такое предположение экспериментально.
Вопрос. Может ли открытие неизвестных в настоящее время функциональных блоков существенно изменить представления о технологии и структурнофункциональной организации биологических систем?
Ответ. Как было отмечено ранее, некоторые недавно открытые функциональные блоки представляют собой комбинации блоков уже известных типов. Но нельзя исключить, что открытие неизвестных до сих пор функциональных блоков повлияет на понимание процессов, реализуемых живыми системами. Ярким примером служит белок мембраны эритроцитов, получивший на основании электрофоретических характеристик название «полоса 3» (П-3). Недавно сделан детальный обзор структуры и функций этого белка (Biochim. biophys. acta. 1986. Vol. 864. P. 145—167). Такой функциональный блок привлек внимание прежде всего в связи с тем, что он составляет около 25 % общего количества белка мембраны эритроцитов и присутствует в одной клетке в виде миллионов копий. Он обладает молекулярной массой 90 000—100 000 дальтон, пронизывает мембрану и имеет сложную внутриклеточную часть, или домен (рис. 47 и 48). Недавно стали понятны его основные функции, точнее, группы функций. Так, трансмембранная часть этого блока катализирует обмен неорганических анионов (особенно Сl- и НСО3-) через мембрану, а также участвует в транспорте воды. Далее, этот блок содержит антигенные детерминанты, в том числе в группах кровп А, В и О, а также резус-антиген. По всей вероятности, ой важен для опознавания стареющих и ненормальных клеток. Наконец, еще одна исключительно важная функция — связывание различных цитоплазматических белков, в том числе белков клеточного скелета.
Рис. 48. Схема цитоплазматической части, или домена, белка «полоса 3» мембраны эритроцита человека.
1 — мембрана; 2 — цитоплазма; 3 — белок «полоса 3»; 4 — цистеиновый кластер; 5 — регулируемая область; 6 — участок связывания анкирина; 7 — участок (участки) связывания иммуноглобулина G; 8 — триптофановый кластер; 9 — ферменты, тельца Хейнца, участок связывания гемоглобина.
Мы обратили внимание лишь на некоторые стороны этой принципиально важной группы функций, которую можно было бы обозначить как цепторную функцию, а функциональный блок, выполняющий ее, отнести к группе цепторов.
Внутриклеточный домен белка П-3 благодаря функции связывания обеспечивает пространственную организацию многих функций мембраны и клетки в целом, структурные связи внутри нее и т.д. В частности, П-3, по-видимому, связывает многие ферменты, участвующие в гликолитическом цикле, и тем самым обеспечивает: 1) пространственную организацию цикла, 2) взаимодействие с субстратами, поступающими через мембрану, 3) эффективную передачу АТФ на АТФ-энергизируемые насосы. Все это крайне важно, так как ранее считалось, что большинство ферментов гликолитической системы пространственно не организовано. Точно так же до сих пор не было ясно, почему именно энергия гликолиза особенно необходима для реализации активного транспорта. Теперь можно полагать, что такая связь обусловлена пространственной и функциональной интеграцией гликолитических ферментов с мембранными АТФазами. Поэтому уже не кажется удивительным, что в клетках почечных канальцев П-3 локализован в базолатеральной мембране.
Однако «функциональные» соображения и данные относительно локализации некоторых насосов, использующих энергию АТФ, в апикальной мембране позволяют предположить, что в последней также будет обнаружен П-3. Особенно большое количество этого белка скорее всего может быть выявлено в обкладоч-ных клетках желудка, в апикальной мембране которых находятся мощные протонные насосы, обеспечивающие выделение в полость этого органа соляной кислоты. Ясно также, что П-3, первоначально интерпретированный как специфический белок мембраны эритроцитов, в действительности представляет собой универсальный блок, как эго было показано в прямых экспериментах.
Следующая важная функция внутриклеточного домена П-3 — связывание с белком 4.1 (полоса 4.1 при электрофорезе) и анкирином. Оба эти белка служат посредниками во взаимодействии основных элементов цитоскелета — актина и спектрина с клеточной мембраной. Эта функция определяет многие функциональные и структурные свойства клетки, в частности ее форму.
Наконец, для понимания функций эритроцитов существенна способность П-3 заякоривать вблизи мембраны молекулы гемоглобина. При этом сродство окисленного и восстановленного гемоглобина к П-3 различно. В целом наличие якорной функции у П-3 значительно меняет представления о многих свойствах клеток и в особенности о свойствах внутренней поверхности клеточной мембраны.
Наконец, уже давно обращалось внимание на то обстоятельство, что адсорбция и десорбция ферментов с клеточных структур — один из механизмов регуляции свойств клетки. Теперь ясно, что существуют специальные функциональные блоки, способные специфически контролировать адсорбцию и десорбцию ферментов. Открытие блоков, подобных П-3, часто служит причиной пересмотра многих устоявшихся взглядов.
Вопрос. Как формирование сложных молекулярных машин, которые состоят из нескольких частей, или доменов (например, ионные насосы — АТФазы), объясняется в свете концепций универсальных функциональных блоков и теории физиологической эволюции?
Ответ. Существование сложных молекулярных, точнее, надмолекулярных машин находит объяснение. Оно зависит от тех случаев, при которых сочетание элементарных операций дает важный биологический эффект. Этот эффект не достигается простым суммированием эффектов элементарных операций, осуществляемых независимо. Например, можно упомянуть, что почти все элементы цикла Кребса — главного энергетического «котла» организмов, использующих кислород, существовали уже у анаэробов, у которых они выполняли другие функции. Сочетание таких элементов в виде цикла Кребса обеспечило поразительно высокую эффективность аэробного дыхания и постепенную аккумуляцию свободной энергии в виде макроэргической связи в АТФ. На определенном этапе цикл Кребса стал эволюировать как единое целое. По-видимому, мутации, которые могли бы модифицировать его, были чрезвычайно невыгодны.
Точно так же сформировавшиеся ион-транспортирующие АТФазы (ионные насосы) настолько связаны с их интегральным эффектом, что сохранились как единое целое. В то же время составляющие их элементы в ходе эволюции были элиминированы. Может быть, в будущем будут обнаружены древние функциональные блоки, вошедшие в состав различных насосов.
Вопрос. Складывается впечатление, что в свете концепции универсальных функциональных блоков эволюция происходит исключительно на основе их рекомбинации, а не эволюции. Так ли это?
Ответ. Лишь на первый взгляд кажется, что идея эволюции на основе рекомбинации универсальных функциональных блоков отрицает эволюцию вообще. Это неверно, ибо неизменность элементов не означает отсутствие изменений более сложных систем, в которые эти элементы входят как составные части. Кроме того, нельзя полностью исключить, что в ходе длительной эволюции может происходить некоторое изменение и самих функциональных блоков (или их частей), что приводит к формированию новых функциональных блоков. Так, несомненный интерес представляют недавно полученные данные о гомологии ?-лактоглобулина, ретинолсвязывающего белка плазмы крови и белка НС (Science. 1985. Vol. 228. P. 335-337). Эти белки, различные по локализации, имеют большое сходство в первичной структуре и осуществляют сопряженные функции. Так, ретинолсвязывающий белок крови участвует в транспорте витамина А, ?-лактоглобулин молока облегчает всасывание этого витамина, а белок НС принимает участие в экскреции метаболитов ретинола.
Следовательно, из общего предшественника возникло семейство родственных функциональных блоков. Вместе с тем рекомбинация блоков чувствуется и в этом случае. По-видимому, одним из важных путей эволюции является вариабельность так называемых функционально незначимых участков белков. Эти участки на определенных этапах эволюции могут приобретать неожиданное функциональное значение, что интерпретируется как преадаптация. Имеет значение еще один путь эволюции функциональных блоков — их первичная транспозиция с экспрессией в другом органе и далее быстрая вариабельность дуплицированного гена.
Вопрос. Существуют ли механизмы, обеспечивающие тонкие адаптивные перестройки на основе универсальных функциональных блоков?
Ответ. Изменение соотношений различных функциональных блоков уже само по себе обеспечивает возможность широкого спектра адаптивных перестроек системы, состоящей из таких блоков. Например, при изменении распределения нескольких блоков в различных частях клетки ее функции могут меняться от секреторной к всасывательной; клетка может обеспечивать увеличение избирательного транспорта одних веществ на фоне уменьшения других и т.д. Однако в настоящее время очевидно, что существует несколько дополнительных механизмов, которые позволяют получать эффекты «подгонки» молекулярных машин. Один из таких механизмов — система процессингов уже готовых синтезированных функциональных блоков. Это достигается несколькими путями. Один из наиболее распространенных — введение в белковые структуры углеводных цепей, которое осуществляется в аппарате Гольджи. Именно от углеводных компонентов белка зависят многие особенности, в том числе видовые и органные. Это было продемонстрировано, в частности, для мембранных ферментов клеток почечных канальцев, а также для щеточнокаемных ферментов тонкой кишки новорожденных и взрослых животных.
Вопрос. Существуют ли различия между представлениями о функциональных блоках, доменах, модулях, функциональных единицах, структурно-функциональных единицах и т.д.?
Ответ. Ранее неоднократно отмечалось, что в основе организации функций и процессов в живых системах лежит фундаментальный принцип блочности. Естественно, что этот принцип так или иначе проявляется в различных исследованиях и описывается под разными терминами, в частности под упомянутыми выше. Функциональные блоки универсальны, но могут участвовать в различных процессах. Например такие, казалось бы, далекие процессы, как осморегуляция у рыб и проведение нервного импульса у млекопитающих, реализуются идентичными функциональными блоками.
Принцип блочности справедлив как для субклеточного и клеточного уровней, так и для более высокого уровня организации, например для организма или надорганизменных систем. Можно говорить о функциональных блоках различных порядков, но можно давать им различные названия. Так, относительно недавно было продемонстрировано, что фермент состоит из блоков или, как их часто называют, модулей, или доменов (см. гл. 2).
Вопрос. Обязательны ли побочные эффекты лекарственных препаратов в свете новейших достижений фармакологии?
Ответ. Побочные эффекты лекарственных веществ — крайне неприятное следствие универсальности функциональных блоков. Побочные эффекты, например, сердечных препаратов на почки, пищеварительный аппарат или нервную систему отражают тот простой факт, что сходные функциональные блоки в больших или меньших количествах локализованы в клетках всех типов. Новые находки подтверждают эту точку зрения. Так, недавно (Science. 1985. Vol. 228. P. 337—339) было показано, что циклоспорин А, один из наиболее мощных иммуносупрессивных агентов, необходимых для предупреждения отторжения пересаженных органов (сердца, почек, печени и т.д.), служит одновременно чрезвычайно эффективным средством против многих заболеваний. К таким заболеваниям относятся не только аутоиммунные, но и инфекционные болезни, например малярия и шистосомиаз. Последнее затрагивает около 1 млрд. человек. В основе такого широкого спектра действия циклоспорина А лежит его взаимодействие с кальмодулином. Если это так, то ясно, что указанный агент действует не только на лимфоциты, но и на все клетки и ткани организмов самых различных групп, поскольку присутствие у них кальмодулина доказано (см. гл. 5). Однако чувствительность к этому агенту у разных организмов, тканей и клеток отличается во много раз или даже порядков.
Естественные технологии и трофология
Вопрос. Может быть, теорию сбалансированного питания, сыгравшую столь выдающуюся положительную роль в рационализации питания человека и кормления животных, следует модернизировать, а не заменять теорией адекватного питания?
Ответ. Классическая теория ни в коей мере не отменяется. Ее важнейшее положение о соответствии расхода и поступления необходимых пищевых веществ в организм полностью входит в новую теорию адекватного питания. Но этот постулат — лишь один из ряда постулатов новой теории. Действительно, основу последней составляют как балансный подход к оценке пищи и режима питания, так и представления о питании как о системе надорганизменных процессов, включающих макроорганизи и определенную сложную микрофлору его желудочно-кишечного тракта; о взаимодействии нутритивного, регуляторного и токсического потоков из желудочно-кишечного тракта во внутреннюю среду организма; об эволюционной адаптированности к определенным типам пищи и питания, а не только к соответствующим типам нутриентов, и т.д. Наконец, теория адекватного питания является технологичной.
Развитие комплекса паук о пище и питании, в том числе и их клинических аспектов, привело к тому, что эти две теории дают различные предсказания. Вот некоторые примеры этому.
1. Согласно новой теории, прямое (парентеральное) питание невозможно, так как длительное введение даже максимально оптимизированного набора пищевых веществ в кровь приводит к серьезным нарушениям организма. Эти нарушения зависят, в частности, от изменений эндоэкологии и связаны с дефектами деятельности бактериальной флоры желудочно-кишечного тракта. Парентеральное питание нарушает также поступление во внутреннюю среду организма гормонов пищеварительного аппарата, продукция которых тесно связана с процессами переработки и всасывания пищевых веществ.
2. В последнее время все большее применение получает так называемое энтеральное питание с помощью тонких зондов, вводимых через нос в желудок или в тонкую кишку. Можно думать, что сейчас медицина вступила в эру энтерального питания. Казалось бы, что при таком типе питания наиболее удобно (а с позиций теории сбалансированного питания и оправданно) введение продуктов, непосредственно пригодных к всасыванию. Однако исследования на животных и особенно на человеке показали, что близкая к естественной полимерная пища более целесообразна, чем пища, состоящая из готовых конечных продуктов переваривания — мономеров. Кроме того, оказалось необходимым добавление балластных веществ, которые служат не только механическим фактором, но и чрезвычайно важны для адсорбции на них ряда эндогенных и экзогенных веществ, а также для их транспортировки вдоль тонкой кишки (см. гл. 3).
3. Нередко подчеркивается, что теория сбалансированного питания — основа эффективного кормления многих сельскохозяйственных животных. Это действительно так, но с рядом оговорок. В пищу ряда сельскохозяйственных животных вводятся компоненты, которые обеспечивают ее адекватность, т.е. максимально благоприятное протекание всех процессов переваривания, всасывания, микробной переработки и т.д., а не только соответствие между составом вводимых и теряемых веществ.
Ясно, что все приведенные факты и аргументы служат в пользу не классической, а новой теории.
Вопрос. Не преувеличено ли значение регуляторных факторов в процессе питания?
Ответ. По-видимому, важность регуляторных факторов в питании не преувеличена, так как поток гормонов и других физиологически активных веществ из желудочно-кишечного тракта во внутреннюю среду организма необходим для усвоения поступающих пищевых веществ. Можно ограничиться лишь одним примером (в дополнение к тому, что сказано выше). Хорошо известно, что усвоение глюкозы контролируется, в частности, инсулином. Сейчас твердо установлено, что при прохождении через желудочно-кишечный тракт (т.е. до всасывания) простые и отчасти сложные углеводы стимулируют инсулярный аппарат через посредство некоторых гормонов, продуцируемых эндокринными клетками пищеварительного аппарата. Наконец, есть определенные основания думать, что нарушения обмена веществ при старении организма связаны с дефектами регулирующих влияний желудочно-кишечного тракта.
Что касается роли активных веществ, поступающих извне, то, по всей вероятности, она значительно больше, чем предполагалось до настоящего времени. Сейчас накапливается обширная информация относительно того, что общее состояние организма, его эмоциональный статус и т.д. зависят от поступления в организм предшественников многих гормонов и медиаторов, в частности от содержания в пище различных аминокислот, предшественников катехоламинов, серотонина и т.д.
Вопрос. Не являются ли представления о нутритивной культуре, или культуре питания, новым выражением современных взглядов на диеты и рациональное питание?
Ответ. Нет, это не так. Нутритивная культура основана на современных знаниях в самом широком смысле слова, включая эволюционные и физико-химические подходы к проблеме и современные возможности создания адекватного питания. Так как знания будут расти, то будет расти и культура питания.
Представления о нутритивной культуре включают в себя ряд понятий, в том числе о композиционной адекватности пищи, об ее энергетической и пластической адекватности, о режиме питания и т.д. Благодаря этому обеспечивается не только удовлетворение потребностей организма в необходимых пищевых компонентах, но и активация депо, которая наблюдается при перерывах в питании. Эти необходимые перерывы создают кратковременное отсутствие баланса между расходом и притоком пищевых веществ. Вместе с тем на протяжении определенных интервалов времени требуется хорошая сбалансированность в потреблении и расходе пищи. При высокой нутритивной культуре возможно также поддержание эндоэкологии, что требует конструирования благоприятных ситуаций для микробной популяции кишечника человека, начиная с рождения. Возможно, в будущем каждый человек сможет иметь в специальном банке образец собственной эндоэкологии, что позволит восстанавливать ее после вынужденного применения лекарственных веществ, в особенности антибиотиков. Не исключено, что в еще более отдаленном будущем бактериальная флора человека будет обогащена привычными для него бактериями, которые будут продуцировать более значимые, чем сейчас, количества физиологически полезных веществ, в том числе витаминов, аминокислот и др. До того как будут сделаны подобные улучшения состава бактериальной флоры человека, более реальным представляется введение в естественную микрофлору сельскохозяйственных животных продуцентов многих полезных веществ, в том числе упомянутых выше, а также защитных. Это явилось бы революцией в сельском хозяйстве.
Технологические предсказания
Вопрос. Каковы предсказания, основанные на технологических подходах к биологическим системам?
Ответ. Представления о естественных технологиях позволяют предсказать неизвестные в настоящее время свойства биологических систем. Вероятно, это самое важное проявление плодотворности таких представлений и их правильности. Анализ сложных процессов и закономерностей дает возможность охарактеризовать проблемы структурной и функциональной схем и теоретически указать недостающие в них элементы. Это касается и организации биологических процессов, и закономерностей эволюции. Диапазон предсказаний очень широк. Ограничимся несколькими примерами.
1. Выше (гл. 6) приведено одно из технологических предсказаний — существование у людей эволюционного (генетического) диабета, возникающего в результате точечной мутации в значимых местах гена, кодирующего синтез инсулина.
2. Технологии биологических процессов, возникшие в результате развития живой природы, обладают свойствами, которые были рассмотрены ранее. Эго некоторая последовательность операций, дающих определенный биологический эффект. Операции выполняются соответствующими функциональными блоками, деятельность которых организована в пространстве и времени и находится под определенным контролем. Так как биологические системы регулируются, то, как правило, можно ожидать, что соответствующие регуляторы будут стимулировать или ингибировать активность функциональных блоков или их синтез. В нашей лаборатории было продемонстрировано, что на систему, транспортирующую глюкозу, и на уровень сахаразной активности тонкой кишки оказывают влияние регуляторы, которые меняют активность работающих транспортеров и ферментов. Таким образом, технологическая гипотеза о контроле и регулируемости естественных процессов нашла подтверждение. Интересно, что удалось показать также существование по крайней мере одного фактора, контролирующего синтез сахаразы в клетках тонкой кишки высших организмов.
3. Химический мессенжер и его рецептор составляют сложный комплекс более высокого порядка, чем каждый из его элементов. Биологически полезный эффект — результат взаимодействия этого комплекса с ретрансляционной системой некоторого сигнала. Например, связывание гормона с рецептором на поверхности клетки полезно постольку, поскольку происходит ретрансляция внеклеточного сигнала во внутриклеточный. В соответствии с такой точкой зрения существование рецепторной функции обязательно требует наличия соответствующего лиганда. На этом основании нетрудно было предположить, что опиатным рецепторам в организме высших животных и человека должны соответствовать собственные лиганды, которые и были идентифицированы — это эндорфины и энкефалины. В настоящее время показало существование ряда рецепторов, пока не имеющих установленных лигандов. Однако можно предположить, что такие лиганды будут обнаружены, в частности для уабаинчувствительных АТФаз. Более того, можно думать, что высокая специфическая чувствительность организма к некоторым ядам, например к токсическим аминам и, в частности, к кадаверину, обусловлена определенными рецепторами. В свою очередь это позволяет предположить наличие для них соответствующих эндогенных лигандов. Другими словами, постулируется существование одной или нескольких неизвестных до настоящего времени аминзависимых регуляторных систем. По аналогии с эндорфинной системой можно допустить существование эндокадаверинной системы, обладающей высокой избирательной активностью.