3.1. Вводные замечания

Экспериментальная проверка ряда важных положений и следствий теории сбалансированного питания с учетом ряда новых фундаментальных открытий в биологии привела к их пересмотру. Было обнаружено, что следствием классической теории сбалансированного питания было несколько чрезвычайно серьезных ошибок. Одна из них — идея и попытки создания безбалластной пищи. 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. способствовали развитию многих заболеваний, в том числе сердечно-сосудистой системы, желудочно-кишечного тракта, печени и желчных путей, нарушений обмена, возникновению ожирения и др. Был сделан также ряд ошибочных заключений о путях оптимизации питания. Другая ошибка — идея использовать элементное питание как физиологически полноценную замену традиционной пище. Точно также никогда прямое внутрисосудистое питание не сможет обеспечить всего комплекса биологических эффектов, которые имеют место при естественном питании. Совершенно другой вопрос — использование мономеров в качестве пищевых добавок, а элементных диет временно по медицинским рекомендациям при экстремальных обстоятельствах.

Для того чтобы понять различия между двумя теориями и причины того, что классическая теория становится важным элементом более общей теории адекватного питания, следует охарактеризовать основные положения, теоретические следствия и практические рекомендации новой теории и сопоставить их с таковыми классической. Работы, посвященные теории адекватного питания, опубликованы в периодической печати (Уголев, 1986б, 1987в, 1988) и в монографиях, увидевших свет в 1985 и 1987 гг. (Уголев, 1985, 1987а).

 

3.2. Основные постулаты теории адекватного питания

Кризис теории сбалансированного питания и открытие некоторых витальных, неизвестных ранее механизмов (лизосомального и мембранного пищеварения, различных видов транспорта пищевых веществ, общих эффектов кишечной гормональной системы), результаты сопоставления ряда характеристик безмикробных и обычных животных, данные прямых исследований влияния элементных диет на организм и т. д. привели к пересмотру ряда основных положений этой теории. На основе полученных данных и обобщений нами была предложена новая теория — теория адекватного питания (ее развитие еще далеко не завершено) и сформулированы 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 — единственный общий для теорий сбалансированного и адекватного питания); 2) нормальное питание обусловлено не одним потоком нутриентов из желудочно-кишечного тракта во внутреннюю среду организма, а несколькими потоками нутритивных и регуляторных веществ, имеющими жизненно важное значение; 3) необходимыми компонентами пищи служат не только нутриенты, но и балластные вещества; 4) в метаболическом и особенно трофическом отношении ассимилирующий организм является надорганизменной системой; 5) существует эндоэкология организма-хозяина, образуемая микрофлорой кишечника, с которой организм хозяина поддерживает сложные симбионтные отношения, а также кишечной, или энтеральной, средой; 6) баланс пищевых веществ в организме достигается в результате освобождения нутриентов из структур пищи при ферментативном расщеплении ее макромолекул за счет полостного и мембранного пищеварения, а в ряде случаев — внутриклеточного (первичные нутриенты), а также вследствие синтеза новых веществ, в том числе незаменимых, бактериальной флорой кишечника (вторичные нутриенты). Относительная роль первичных и вторичных нутриентов варьирует в широких пределах.

Охарактеризуем некоторые из этих постулатов несколько более подробно.

Как можно видеть, основные постулаты теории адекватного питания принципиально отличаются от таковых теории сбалансированного питания. Однако один из них является общим. Он заключается в том, что питание поддерживает молекулярный состав организма и обеспечивает его энергетические и пластические потребности.

Далее, человек и высшие животные в метаболическом и трофическом отношениях представляют собой не организмы, а в сущности надорганизменные системы. Последние включают в себя, кроме макроорганизма, микрофлору его желудочно-кишечного тракта — микроэкологию и энтеральную среду, которые составляют внутреннюю экологию организма, или эндоэкологию. Между организмом хозяина и его микроэкологией поддерживаются положительные симбионтные взаимоотношения.

Теория адекватного питания в отличие от теории сбалансированного питания не только связывает нормальное питание и ассимиляцию пищи с одним потоком во внутреннюю среду организма различных нутриентов, освобождающихся в результате переваривания пищи в желудочно-кишечном тракте, но принимает существование по крайней мере еще трех основных жизненно важных потоков (рис. 3.1). Первый — поток регуляторных веществ (гормонов и гормоноподобных соединений), продуцируемых эндокринными клетками желудочно-кишечного тракта, а также образующихся в его содержимом. Второй поток состоит из бактериальных метаболитов. В него входят модифицированные под влиянием бактериальной флоры кишечника балластные вещества пищи и нутриенты, а также продукты ее жизнедеятельности. С этим потоком во внутреннюю среду организма поступают вторичные нутриенты. В этот поток входят также токсические вещества, к которым относятся токсины пищи, а также токсические метаболиты, образующиеся в желудочно-кишечном тракте за счет деятельности бактериальной флоры. По-видимому, этот поток в норме физиологичен. Третий поток состоит из веществ, поступающих из загрязненной пищи или загрязненной внешней среды, в том числе ксенобиотиков. Наконец, согласно теории адекватного питания, так называемые балластные вещества, и в том числе преимущественно пищевые волокна, являются эволюционно важным компонентом пищи.

Все постулаты теории адекватного питания взаимосвязаны и образуют совокупность новых и нетрадиционных представлений, подходов, методов исследования и технических приемов.

Иногда теорию адекватного питания критикуют за то, что она слишком «пищеварительная». Это не так. Эта теория биологична и технологична, т. е. она придает большое значение эволюционным особенностям и особенностям функционирования механизмов, обеспечивающих усвоение пищи. Такой подход позволяет рассматривать ряд проблем, которые недостаточно оценивались классической теорией, но которые имеют решающее значение с точки зрения трофологии.

Охарактеризуем более подробно некоторые постулаты и следствия, вытекающие из теории адекватного питания.

 

3.3. Основные потоки

Прежде всего рассмотрим основные потоки, поступающие из желудочно-кишечного тракта во внутреннюю среду организма.

3.3.1. Поток нутриентов

Обязательное условие ассимиляции пищи — разборка ее сложных структур до простых соединений, которая происходит в процессе пищеварения. Освобождающиеся мономеры (аминокислоты, моносахариды, жирные кислоты и т. д.) лишены видовой специфичности и преимущественно одинаковы для всех организмов. В некоторых случаях могут образовываться олигомеры (ди-, три- и изредка тетрамеры), которые также могут быть ассимилированы. У низших организмов, в частности у бактерий, всасывание нерасщепленных олигомеров широко распространено (Peptide transport…, 1972). У высших организмов транспорт олигомеров продемонстрирован на примере дипептидов (обзоры: Gardner, 1984, 1988). При этом усвоение пищи реализуется в три этапа: внеклеточное (полостное) пищеварение — мембранное пищеварение-всасывание, а у ряда организмов — в четыре, с участием внутриклеточного пищеварения (см. гл. 1).

3.3.2. Поток гормонов и других физиологически активных соединений

В этом разделе будет дана лишь краткая характеристика так называемого регуляторного потока. Более подробно эта проблема освещена в гл. 6. Существование, помимо потока нутриентов, другого витально важного регуляторного потока из желудочно-кишечного тракта во внутреннюю среду организма не укладывается в схему теории сбалансированного питания. Между тем это значительно меняет представления о механизмах ассимиляции пищи. Поток гормонов и других физиологически активных факторов состоит из двух потоков — эндогенного и экзогенного.

Эндогенный поток содержит гормоны, медиаторы и другие физиологически активные вещества, продуцируемые эндокринными клетками желудочно-кишечного тракта. С использованием электронной микроскопии, электронной гистохимии, иммунологических подходов, удаления определенных отделов тонкой кишки и других методов установлено, что в организме человека и высших животных масса эндокринных элементов желудочно-кишечного тракта превышает массу всех других эндокринных желез, вместе взятых. Эндокринные клетки пищеварительного аппарата секретируют около 30 гормонов и гормоноподобных субстанций. Недавно показано, что эндокринные клетки желудочно-кишечного тракта синтезируют также тиреотропный гормон и АКТГ, т. е. гормоны, типичные для гипоталамуса и гипофиза, а клетки гипофиза — гастрин (Larsson, 1979; Булгаков и др., 1982; обзор: Уголев, 1985). Следовательно, гипоталамо-гипофизарная и желудочно-кишечная системы оказались родственными по некоторым гормональным эффектам. Существуют также данные, что клетки желудочно-кишечного тракта секретируют некоторые стероидные гормоны (см. гл. 6). В течение длительного времени считалось, что эндокринные клетки желудочно-кишечного тракта секретируют гормоны и другие физиологически активные факторы, участвующие преимущественно в саморегуляции процессов пищеварения и всасывания пищевых веществ. Однако в настоящее время известно, что физиологически активные вещества контролируют не только функции пищеварительного аппарата, но и важнейшие эндокринные и метаболические функции всего организма. Оказалось, что так называемые классические гормоны желудочно-кишечного тракта (секретин, гастрин, холецистокинин) и ряд неидентифицированных гипотетических гормонов, кроме местного, или локального, действия, выполняют различные функции по регуляции непищеварительных органов. Примером гормонов общего действия являются также соматостатин и арэнтерин (см. гл. 6, 7 и 8).

Нарушение эндогенного потока физиологически активных факторов из желудочно-кишечного тракта во внутреннюю среду организма вызывает тяжелые последствия. Нами продемонстрировано, что удаление даже части эндокринной системы пищеварительного аппарата в определенных условиях приводит либо к гибели, либо к тяжелому заболеванию животного (подробно см. гл. 6).

Таким образом, можно думать, что для нормального функционирования организма необходим поток эндогенных физиологически активных веществ, имеющих отношение к контролю усвоения нутриентов тканями организма, а также к ряду других жизненно важных функций. Благодаря эндокринной системе желудочно-кишечного тракта реализуется также связь между поступлением пищи и системами, ее ассимилирующими.

Экзогенный поток физиологически активных веществ состоит преимущественно из специфических субстанций, образующихся при расщеплении пищи. Так, при гидролизе пепсином белков молока и пшеницы образуются вещества, получившие название экзорфинов, т. е. натуральных морфиноподобных (по действию) соединений. При определенных условиях образующиеся 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 переваривании определенных компонентов пищи, выполняют регуляторные функции. К таким пептидам принадлежит казоморфин продукт гидролиза белка молока (казеина).

Роль питания в формировании физиологических и психологических стандартов человека еще более возрастает в результате открытия функций некоторых аминокислот как нейротрансмиттеров и как их предшественников.

Таким образом, питание не тот простой акт приема пищи, который можно свести к обогащению организма нутриентами. Одновременно сосуществует сложнейший поток гормональных факторов, который крайне важен, а может быть, и жизненно необходим для регуляции ассимиляции пищи, метаболизма и, как обнаружено, некоторых функций нервной системы.

3.3.3. Потоки бактериальных метаболитов

При участии бактериальной флоры кишечника формируются три потока, направленные из желудочно-кишечного тракта во внутреннюю среду организма. Один из них — поток нутриентов, модифицированных микрофлорой (например, амины, возникающие при декарбоксилировании аминокислот), второй — поток продуктов жизнедеятельности самих бактерий и третий — поток модифицированных бактериальной флорой балластных веществ. При участии микрофлоры образуются вторичные нутриенты, в том числе моносахариды, летучие жирные кислоты, витамины, незаменимые аминокислоты и т. д., вещества, которые при сегодняшнем уровне знаний представляются индифферентными, и токсические соединения. Именно наличие токсических соединений породило идею о целесообразности подавления кишечной микрофлоры, высказанную еще И. И. Мечниковым. Однако, возможно, токсические вещества, если их количество не переходит определенных границ, физиологичны и являются постоянными и неизбежными спутниками экзотрофии.

Некоторые токсические вещества, в частности токсические амины, образующиеся в пищеварительном аппарате под влиянием бактериальной флоры, давно привлекают внимание. Среди аминов, обладающих высокой физиологической активностью, описаны кадаверин, гистамин, октопамин, тирамин, пирролидин, пиперидин, диметиламин и др. (Lindblad et al., 1979). Определенное представление о содержании этих аминов в организме дает уровень их экскреции с мочой. Некоторые из них заметно влияют на состояние организма (табл. 3.1). При различных формах заболеваний, в частности дисбактериозах, уровень аминов может резко возрастать и быть одной из причин нарушений ряда функций организма. Продукция токсических аминов может быть подавлена антибиотиками.

Таблица 3.1. Уровень аминов преимущественно кишечного бактериального происхождения (по: Lindblad et al., 1979)

По-видимому, в ходе эволюции некоторые токсические амины включились в регуляторные системы организма. В качестве примера можно привести гистамин, образующийся при декарбоксилировании гистидина. Как известно, гистамин продуцируется преимущественно клетками желудка, морфологически сходными с тучными, и контролирует ряд функций гипоталамо-гипофизарной системы, секрецию соляной кислоты клетками желудка и при некоторых условиях способствует образованию язв желудка и двенадцатиперстной кишки. В начале 80-х годов было показано, что развитие таких язв происходит при участии Н2-рецептоторов. Использование Н2-блокаторов (например, циметидина) вызывает не только исчезновение язв желудка и выключение кислой желудочной секреции, но и возникновение психических, урологических и эндокринных нарушений (обзор: Domschke, Domschke,1981, и др.).

Наряду с эндогенным существует экзогенный гистамин, образующийся главным образом в кишечнике в результате бактериальной активности. Поэтому применение антибиотиков может приводить к ряду сдвигов гормонального статуса организма. Возможно, многие патологические изменения в организме провоцируются не за счет гиперфункции клеток желудка, секретирующих гистамин, а благодаря его избыточной продукции в кишечнике бактериальной флорой. Так, при гиперпродукции гистамина бактериальной флорой кишечника появляются язвы желудка, склонность к нарушению гипоталамо-гипофизарных функций, к аллергии и т. д.

Что касается вторичных нутриентов, образующихся из балластных веществ за счет главным образом бактериального метаболизма, то в их число входит значительная доля различных витаминов, незаменимых аминокислот, углеводов, жиров и т. д. Физиологическая важность вторичных нутриентов доказывается тем, что безмикробные животные чрезвычайно чувствительны к колебаниям состава пищи, тогда как обычные животные устойчивы к ним. О физиологической важности вторичных нутриентов свидетельствует резкое повышение потребности в витаминах у человека и животных, у которых бактериальная флора подавлена антибиотиками (обзоры: Germfree research…, 1973; Чахава и др., 1982; Simon, Gorbach, 1987; Snoeyenbos, 1989, и др.).

Трансформация балластных веществ в кишечнике происходит преимущественно под действием анаэробной микрофлоры. Предполагается, что переход от физиологического состояния к патологическому реализуется благодаря усилению ферментативных процессов. Однако те процессы, которые в толстой кишке человека могут служить причиной заболеваний, в желудке жвачных и многих полигастричных травоядных животных являются основным способом утилизации грубых кормов, недоступных ферментам самого животного (обзоры: Prosser, Brown,1967; Сравнительная физиология…, 1977; Schmidt-Nielsen, 1982; Martin, 1989; Williams, 1989, и др.).

Кроме перечисленных потоков, существует поток веществ, поступающих с пищей, загрязненной в результате различных промышленных и аграрных технологий, или из загрязненной среды. В этот поток входят также ксенобиотики.

 

3.4. Пищевые волокна

В соответствии с теорией сбалансированного питания, в желудочно-кишечном тракте происходит разделение пищевых веществ на нутриенты и балласт. Полезные вещества расщепляются и всасываются, тогда как балластные выбрасываются из организма. Однако, по-видимому, в ходе эволюции питание сформировалось таким образом, что становятся полезными не только утилизируемые, но и неутилизируемые компоненты пищи. В частности, это касается таких неутилизируемых балластных веществ, как пищевые волокна. Эти волокна представляют собой преимущественно полисахариды, но в их состав могут быть включены также белки, жиры и микроэлементы. К пищевым волокнам относятся такие полисахариды, как целлюлоза, гемицеллюлоза и пектин, а также лигнин, кутин, воск и др. Пищевые волокна в значительных количествах присутствуют в овощах, хлебе, неочищенных злаках и ряде других продуктов (обзоры: Пищевые волокна, 1986; Vahouny, 1987; Kritchevsky, 1988; Sakata, 1988, и др.). В табл. 3.2 представлены данные о содержании пищевых волокон в ряде натуральных продуктов.

Таблица 3.2. Содержание пищевых волокон в некоторых растительных продуктах (по: Vahouny, 1987)

Рафинированные пищевые продукты приобрели широкое распространение, особенно в странах Запада (так называемый западный тип питания). При таком рационе использование пищевых волокон значительно снижено на фоне увеличенного потребления белков и животных жиров. В детальной сводке «Пищевые волокна:», опубликованной в 1986 г., приведены данные различных авторов, свидетельствующие, что за последние 100 лет потребление пищевых волокон в нашей стране в целом уменьшилось приблизительно в 2 раза. Снизилось оно и в других странах (США, ФРГ, Великобритания, Япония). В то же время существуют многочисленные сведения, что потребность в пищевых волокнах в питании населения развитых стран растет. В табл. 3.3 представлены данные о потреблении пищевых волокон жителями разных стран. В нашей стране количество пищевых волокон в рационе варьирует от 24 до 26.3 г/сут (на примере жителей Донбасса) (обзор: Пищевые волокна, 1986).

Сейчас твердо установлено, что пищевые волокна играют существенную роль в нормализации деятельности желудочно-кишечного тракта (особенно тонкой и толстой кишки), увеличивают массу мышечного слоя, 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. Важно, что пищевые волокна обладают способностью связывать воду и желчные кислоты, а также адсорбировать токсические соединения. Способность связывать воду оказывает значительный эффект на скорость транзита содержимого вдоль желудочно-кишечного тракта (табл. 3.4). В литературе существуют сведения, что пищевые волокна отрубей связывают в 5 раз больше воды, чем их собственный вес, а волокна таких овощей, как морковь и репа, — в 30 раз больше. Наконец, пищевые волокна влияют на среду обитания бактерий в кишечнике и являются для них одним из источников питания. В частности, микроорганизмы используют целлюлозу, гемицеллюлозу и пектин, частично метаболизируя их в уксусную, пропионовую и масляную кислоты.

Пищевые волокна необходимы не только для нормальной деятельности 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 пищевых 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, ишемическая болезнь сердца, желудочно-кишечная патология, диабет и др., во многих случаях результат не только чрезмерного потребления белков и углеводов, но и следствие недостаточного использования балластных веществ (табл. 2.1). Существуют сведения, что отсутствие пищевых волокон в диете может провоцировать рак толстой кишки. Без пищевых волокон нарушается обмен не только желчных кислот, но также холестерина и стероидных гормонов. (Поразительно, что о вреде очищенных пищевых продуктов хорошо знали уже Авиценна и его предшественник).

Таблица 3.3. Потребление пищевых волокон жителями разных стран (по: Vahouny, 1987)

Таблица 3.4. Скорость кишечного пассажа химуса, содержащего пищевые волокна разных типов (по: Пищевые волокна, 1986)

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 пищевых волокон. В то же время при использовании ряда пищевых волокон всасывание некоторых микроэлементов, в особенности цинка, снижается.

Длительное употребление пищевых волокон приводит к снижению тяжести синдрома раздраженной толстой кишки и дивертикулеза ободочной кишки. Пищевые волокна способствуют успешному лечению запоров, геморроя, болезни Крона и других заболеваний желудочно-кишечного тракта, а также могут служить профилактическим средством против рецидивов язвенной болезни желудка и двенадцатиперстной кишки (обзоры: Пищевые волокна, 1986; Vahouny, 1987; Kritchevsky, 1988, и др.). В частности, при хроническом панкреатите диета, обогащенная клетчаткой, т. е. пищевыми волокнами, в большинстве случаев дает положительный терапевтический эффект (Скуя, Рубенс, 1988).

Следовательно, необходимо, чтобы в состав пищевых рационов были включены не только белки, жиры, углеводы, микроэлементы, витамины и т. д., но и пищевые волокна, которые являются ценным компонентом пищи. В то же время некоторые схемы успешного лечебного питания основаны на ограничении в рационе пищевых волокон, что зависит от вида заболевания и его тяжести.

Итак, на базе классической теории были сделаны попытки создать улучшенную и обогащенную пищу за счет удаления пищевых волокон, что привело к развитию многих заболеваний, так называемых болезней цивилизации. В настоящее время интенсивно разрабатывается противоположное направление — ведутся поиски адекватных пищевых рационов, соответствующих потребностям организма, возникшим в ходе эволюции. У человека такая эволюционно адекватная пища включает значительную долю веществ, которые длительное время неудачно называли балластом.

 

3.5. Эндоэкология

Такие три понятия, как микроэкология, энтеральная, или кишечная, среда и эндоэкология, или внутренняя экология организма, введены в биологию сравнительно недавно и поэтому нуждаются в расшифровке. Под микроэкологией подразумевается бактериальная флора, характерная для пищеварительного тракта данного организма, вида или популяции.

В норме микрофлора кишечника включает две главные группы организмов — аутохтонные (индигенные, или собственные) и транзиторные (или случайные).

Основная масса микроорганизмов кишечника состоит из неспороносных анаэробов и факультативных аэробов. Эти организмы населяют преимущественно толстую кишку человека и слепую кишку грызунов. В табл. 3.5 представлены микробный спектр желудочно-кишечного тракта, проксимодистальный градиент микрофлоры, численность нормальной и патогенной микрофлоры. Микрофлора кишечника, кроме проксимодистального градиента распределения различных микроорганизмов вдоль тонкой кишки, имеет также градиент, направленный от поверхности кишечной слизистой к центру просвета кишки (обзоры: Пищевые волокна, 1986; Simon, Gorbach, 1987, и др.).

Таблица 3.5. Микрофлора желудочно-кишечного тракта человека (по: Simon, Gorbach, 1987)

Кишечная микрофлора состоит из большого количества различных групп бактерий. Например, в слепой кишке мыши содержится около 80 различных популяций анаэробных бактерий, а в фекалиях человека — более 400–500 различных видов бактерий. При этом деятельность бактерий тесно взаимосвязана.

Энтеральная среда — это особая среда в иерархии внутренних сред организма, которая обладает свойствами, промежуточными между свойствами внешней и внутренней сред (Уголев, 1961; Гальперин, Лазарев, 1986, и др.). Эта среда чрезвычайно важна для поддержания гомеостаза и взаимодействий организма с окружающей средой. Энтеральная среда рассматривается не только как сложная система жидкостей (включая пищеварительные секреты), регулируемых и гомеостатируемых макроорганизмом, но и как среда, в которую поступают продукты жизнедеятельности определенных микроорганизмов (метаболиты в широком смысле слова), а часто и некоторых других организмов, пища и ее компоненты и т. д. Энтеральная среда жизненно важна как для лидирующего макроорганизма, так и для симбионтов, населяющих его желудочно-кишечный тракт. Различные характеристики жидкой фазы энтеральной среды, в том числе потока жидкости в норме и при патологии тонкой кишки, освещены в недавнем специальном обзоре (Weems, 1987).

Наиболее сложным и новым является понятие об эндоэкологии. Оно возникло в результате развития физиологии и биохимии пищеварительного аппарата и представлений об энтеральной среде. Под эндоэкологией понимается совокупность микроорганизмов, населяющих желудочно-кишечный тракт, и энтеральной среды. Возможно, более правильно говорить об энтероэкологии и колонэкологии, так как эндоэкология в целом — более широкое понятие, и у некоторых животных речь идет об экологии, которая формируется в результате симбиоза и взаимодействий не только с организмом хозяина в целом, но и с его различными системами. По всей вероятности, эндоэкология играет важную роль в жизни макроорганизма и в естественных условиях жизненно необходима организмам многоклеточных всех видов, полости желудочно-кишечного тракта которых представляют собой своеобразный внутренний дом.

3.5.1. Формирование эндоэкологии

Внутренняя экология характерна для вида в целом, вместе с тем она индивидуальна. Первоначально в онтогенезе внутренняя экология формируется в до-иммунный период, т. е. в ранний постнатальный период на фоне иммунологической толерантности организма, и затем в период более позднего постнатального развития фиксируется. Аутохтонная (собственная) микрофлора отличается от транзиторной (случайной) иммунологическими взаимоотношениями как с лидирующим хозяином, так и с этой случайной флорой. Доминирующие группы микроорганизмов осуществляют иммунологическую защиту от случайной микрофлоры. Сама аутохтонная микрофлора имеет механизмы, предупреждающие колонизацию занятых ею ниш обитания.

Возможно, незрелорождающиеся млекопитающие, первоначально не обладающие иммунной защитой, наряду с недостатками обладают и определенными преимуществами. К числу последних следует отнести возможность формирования определенного симбиоза бактерий и простейших с макроорганизмом. Вскоре после рождения иммунологические «ворота» закрываются, и сообщество, сформированное в начале жизни, приобретает барьер, включающий иммунные и другие механизмы защиты. Но так как в раннем онтогенезе во многих случаях организм находится в специальных условиях и контактирует с особями своего вида, то происходит в значительной степени селективное заселение потомства микроорганизмами, причем симбионты в большинстве случаев не являются случайными. Существуют сведения, что, например у термитов и ряда других насекомых, самка вводит чистую бактериальную культуру стерильному потомству. Ясно, что в этом случае создаются условия, с одной стороны, для вариации состава симбионтов, а с другой — для поддержания его постоянства на протяжении многих поколений насекомых в зависимости от стабилизирующего или дивергирующего действия естественного отбора.

У млекопитающих заражение микроорганизмами (контаминация) происходит, как правило, при прохождении новорожденного через родовые пути матери и при вскармливании его молоком. Известно, что, как недавно отметил Р. Фуллер (Fuller, 1985), здоровье детей, вскормленных грудью, значительно лучше, чем получающих молоко из специальной посуды. Этот пример важен также как демонстрация того, что для поддержания определенного состава бактериальной флоры необходимо ее поступление извне. (Р.Фуллер справедливо считает основоположником этого направления И. И. Мечникова.) Имеются опасения, что в условиях космического полета у космонавтов может происходить уменьшение как притока бактерий из окружающей среды, так и их разнообразия. В результате этого может иметь место обеднение микрофлоры. Поэтому идея бактериальных добавок к пище человека чрезвычайно важна и плодотворна.

3.5.2. Основные физиологические функции кишечной бактериальной флоры

В этом разделе мы рассмотрим результаты физиологической активности бактериальной флоры. Такое рассмотрение оправдано как важностью задач, так и тем, что исследование микрофлоры желудочно-кишечного тракта в последнее время позволило значительно продвинуться в понимании сущности процессов питания. Легче всего можно судить о роли бактериальной флоры в организме путем сопоставления безмикробных (стерильных) и обычных животных. Оказалось, что безмикробные животные — это функционально неполноценные организмы, которые, по-видимому, в естественных условиях не имеют шансов на выживание (обзоры: Вальдман, 1972; Germfree research…, 1973; Сравнительная физиология…, 1977; Stanier et al., 1979; Чахава и др., 1982; Пищевые волокна, 1986; Simon, Gorbach, 1987, и др.).

Согласно теории сбалансированного питания, заселение бактериальной флорой пищеварительного тракта высших организмов — нежелательный и в определенной мере вредный побочный эффект. Однако бактериальная флора желудочно-кишечного тракта не только не вредна, но необходима для нормального развития физиологических функций макроорганизма, и его филогенетическое и онтогенетическое развитие тесно связано с биоценозом микроорганизмов.

Следует отметить, что микрофлора оказывает существенное влияние на структурные характеристики кишечника и других органов. У безмикробных организмов масса тонкой кишки меньше, чем у обычных, так как эпителий тоньше и редуцирован примерно на 30 %, а ворсинки уже. Более тонкая стенка тонкой и толстой кишки отмечена у безмикробных морских свинок, мышей, цыплят, поросят, крыс, кроликов. Выраженные изменения наблюдаются и в слепой кишке безмикробных животных, причем у грызунов масса расширенной слепой кишки и содержимого может составлять до 25–30 % массы тела. Предполагается, что такое увеличение слепой кишки обусловлено отсутствием микробов в организме хозяина и частично — влиянием диеты. У безмикробных животных снижены митотическая активность эпителиальных клеток тонкой кишки и продолжительность их жизненного цикла, а время миграции клеток из области крипт на вершину ворсинок увеличено примерно в 2 раза. Многие исследователи отмечали гипоплазию лимфатических узлов у безмикробных животных и снижение функциональной активности их клеток (обзоры: Haenel, Schulze, 1979; Чахава и др., 1982; Simon, Gorbach, 1987, и др.).

Микрофлора пищеварительного аппарата оказывает влияние и на его функциональные характеристики. В частности, бактериальные энтеротоксины существенно влияют на кишечную проницаемость. В большинстве случаев ферментативная активность тонкой кишки у безмикробных организмов выше, чем у обычных. Тем не менее существуют сведения, что уровень дисахаридазной активности тонкой кишки безмикробных и обычных крыс одинаков. Столь же противоречивы сведения и в отношении панкреатических ферментов. По одним данным их активность у безмикробных животных выше, чем у обычных, по другим — она одинакова. Следует, наконец, заметить, что дисбактериозы приводят к снижению ферментативной активности тонкой кишки и соответственно к нарушениям мембранного пищеварения (обзор: Уголев, 1985).

Кишечная микрофлора определяет отношение к иммунной защите организма (обзоры: Germfree research…, 1973; Freter, 1974; Чахава и др., 1982; Пищевые волокна, 1986; Kagnoff, 1987, и др.). Дискутируются два механизма местного иммунитета. Первый из них заключается в ингибировании адгезии бактерий к кишечной слизи, медиированной локальными антителами, включая IgA. Второй механизм состоит в контроле численности определенной бактериальной популяции, локализованной на поверхности кишечной слизистой, за счет присутствия в этой области антибактериальных антител. По сравнению с обычными животными у безмикробных организмов содержится лишь 10 % клеток, продуцирующих IgA, который участвует в местном иммунитете. При этом продемонстрировано, что содержание в плазме крови общего белка, α-, β- и γ-глобулинов у безмикробных животных ниже, чем у обычных. В отсутствие обычной микрофлоры при нормальном фагоцитозе у микро- и макрофагов гидролиз ими антигенов замедляется.

Кроме механизмов местного иммунитета, регулирующего микрофлору кишечника, существует еще один механизм контроля — бактериальный антагонизм, за счет которого может предупреждаться рост связанной с кишечной слизистой определенной популяции бактерий.

Под влиянием бактериальной флоры, как указано выше, в пищеварительном аппарате образуются некоторые токсины. Это доказывается тем, что образование аминов и, как следствие, уровень их экскреции у безмикробных организмов весьма низки. Этот уровень заметно увеличивается после заражения организмов одной или несколькими группами бактерий. В частности, моноинфекция безмикробных мышей культурой Clostridium perfringens приводит к увеличению уровня гистамина, особенно в полости слепой кишки (Lindblad et al., 1979).

Экскреция пиперидина рассматривается как индекс изменений микрофлоры при колонизации кишечника и при переходе от молочного к дефинитивному питанию. Экскреция этого амина в норме у людей разных возрастных групп различна. Существуют данные, что у детей одного возраста (4–6 мес.), питающихся грудным молоком, уровень пиперидина в моче значительно ниже: (1.65±0.55) ммоль/моль креатинина, чем у детей, получающих добавки, — (5.95±0.56). Увеличивается также уровень пиперидина при ряде заболеваний. Так, если у детей концентрация пиперидина в моче в норме составляет (1.11±0.95) ммоль/моль креатинина, то при целиакии — (3.62±1.40), т. е. почти в 3 раза выше (Lindblad et al., 1979). Эти сведения совпадают с данными об увеличении экскреции тирамина при малабсорбции, вызванной рядом заболеваний.

Как уже было отмечено, по-видимому, в ходе эволюции некоторые токсические амины включились в регуляторные системы организма. Примером этому могут служить упомянутый выше гистамин и серотонин, образующиеся при декарбоксилировании аминокислот. Бактериальная флора кишечника оказывает влияние на пищевые волокна. Детальная характеристика трансформации таких волокон под действием главным образом анаэробной микрофлоры толстой кишки человека дана в обзоре У. Каспари с соавторами (Caspary et al., 1981). Переход от физиологического к патологическому состоянию происходит, насколько можно судить, преимущественно за счет усиления ферментативных процессов. Как замечают авторы, те процессы, которые в толстой кишке человека могут быть причиной болезней, в желудке жвачных и многих травоядных животных являются основными для утилизации грубых кормов, недоступных ферментам животного происхождения. По-видимому, при ферментативной обработке происходит одновременно огромное количество различных химических реакций. В связи с этим их точная запись невозможна. Приближенная формула дается многими авторами (в том числе У. Каспари и др.): 115 (С6 Н12 О6) → 130 уксусная кислота + 40 пропионовая кислота + 30 п-масляная кислота + 7 °CН4 + 12 °CО2 + 50 Н2О.

Следует, однако, иметь в виду, что при анаэробной ферментации образуются также (чаще в качестве индивидуальных продуктов) муравьиная, янтарная и молочная кислоты и некоторое количество водорода. Определение водорода широко используется для диагностики заболеваний тонкой и особенно толстой кишки.

Таким образом, бактериальная флора желудочно-кишечного тракта является своеобразным трофическим гомеостатом, или трофостатом, обеспечивающим разрушение избыточных компонентов пищи и образование недостающих продуктов. Кроме того, некоторые продукты ее жизнедеятельности принимают участие в регуляции ряда функций макроорганизма. Поэтому поддержание нормальной бактериальной флоры в организме становится одной из важнейших задач оптимизации питания и жизнедеятельности высших организмов, и в том числе человека.

Кроме популяции бактерий, живущих в полости желудочно-кишечного тракта, существует также бактериальная флора, связанная со слизистой оболочкой тонкой кишки. Способность различных бактерий находиться в тесном контакте со структурами кишечной поверхности была продемонстрирована на примере мышей еще в 1965 г. Затем было выявлено, что в одних случаях аутохтонные микроорганизмы не вызывают видимых изменений в структуре кишечных клеток, тогда как в других, напротив, нарушают ее. Примером последних могут служить сегментированные нитевидные микробы, нарушающие мембрану кишечных клеток. Эти же микроорганизмы (спирохеты и спиралевидные бактерии), ассоциируясь с кишечной клеткой одним своим концом, другим раздвигают микроворсинки, разрушая гликокаликс и щеточную кайму (обзор: Чахава и др., 1982).

Бактериальная популяция кишечной слизистой оболочки существенно отличается от полостной как по составу, так и по биохимическим характеристикам. В нашей лаборатории еще в 1975 г. было показано, что среди популяции бактерий слизистой оболочки тонкой кишки почти отсутствуют гемолизирующие формы, которые широко представлены в полостной популяции. Уже в то время нами было высказано предположение, что мукозная популяция является аутохтонной и в значительной мере определяет состав полостной популяции. В то же время выявлено, что при изменении диеты и заболеваниях наблюдаются более резкие нарушения мукозной популяции, а не полостной (обзор: Уголев, 1985).

Идея И.И. Мечникова о целесообразности подавления кишечной бактериальной флоры в настоящее время должна быть подвергнута коренному пересмотру. Действительно, как уже отмечалось, сопоставление обычных и безмикробных организмов позволило заключить, что последние в метаболическом, иммунологическом и даже нейрологическом отношении дефектны и резко отличаются от обычных. Так, у безмикробных животных недоразвита иммунная защитная система, они более чувствительны к недостаткам рациона, в частности к рационам с недостаточностью незаменимых аминокислот и витаминов. В зависимости от питания меняется также и состав микрофлоры. Например, замена белка на смесь аминокислот вызывает снижение количества бифидобактерий у взрослых людей, как и у детей при добавлении к грудному молоку коровьего молока. На примере крыс обнаружено, что неблагоприятные изменения микрофлоры, в том числе снижение количества лактобацилл и увеличение числа стафилококков, в основном имеют место при олигомерном, но не полимерном питании (обзор: Уголев, 1985).

Когда исследования проводились не на безмикробных животных, а на людях, которые в силу каких-либо причин со дня рождения были отделены от окружающей среды и не имели собственной бактериальной флоры, то оказалось, что их пищевые потребности также существенно отличались от таковых у обычных людей.

Как уже было отмечено, симбиоз микро- и макроорганизмов, вероятно, является древним эволюционным приобретением и наблюдается уже на уровне примитивных многоклеточных организмов. Во всяком случае в ходе эволюции у большинства многоклеточных организмов возник симбиоз с бактериями определенных типов. В самом деле, бактериальная флора представляет собой необходимый атрибут существования сложных организмов. Последние, по современным представлениям, следует рассматривать как единую систему более высокого иерархического уровня, чем отдельный индивидуум. При этом макроорганизм по отношению к микроорганизмам выполняет функцию доминанта и регулятора всей системы в целом. Между ним и симбионтами существует обмен метаболитами, в состав которых входят нутриенты, различные неорганические компоненты, стимуляторы, ингибиторы, гормоны и другие физиологически активные соединения. Подавление бактериальной флоры кишечника часто приводит к сдвигу метаболического баланса организма.

Таким образом, в настоящее время становится ясно, что в метаболическом смысле организм представляет собой надорганизменную систему, состоящую из доминирующего многоклеточного организма и специфической бактериальной поликультуры, а иногда и Protozoa. С этой точки зрения существенно, что определенная часть витаминов и незаменимых аминокислот, в которых нуждается организм высших животных и человека, поступает за счет бактерий. Действительно, как отмечено выше, у безмикробных животных недостаток витаминов или незаменимых аминокислот приводит к более тяжелым и скорее проявляющимся нарушениям, чем у обычных. Следовательно, с позиций теории адекватного питания можно говорить не только об экологии в целом, но и о микроэкологии, или более правильно — об эндоэкологии многоклеточных организмов, которая, как мы отмечали, формируется очень рано.

Эндоэкосистемы обладают способностью к саморегуляции и в достаточной мере устойчивы. Вместе с тем они имеют некоторые критические пределы устойчивости, за которыми наступает их непоправимое нарушение. Нормальная эндоэкология может быть нарушена при специфических и неспецифических воздействиях, что может приводить к резкому изменению потока бактериальных метаболитов (рис. 3.2). Нарушение состава бактериальной популяции кишечника обнаружено, в частности, при изменении состава рациона, при заболеваниях желудочно-кишечного тракта, под влиянием 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, меняют реактивность организма, вызывают скрытые патологии и т. д.

Формирование представлений об эндоэкологии человека и других организмов имеет фундаментальное значение, а сохранение микрофлоры и предупреждение ее нарушений — одна из важных задач биологии и медицины.

3.5.3. Бактериальная флора как трофический гомеостат — трофостат

По-видимому, бактериальная флора желудочно-кишечного тракта выполняет функцию химического гомеостата. При сохранении у грызунов копрофагии значительная часть пищи подвергается различным трансформациям вследствие размножения бактерий, являющихся важным источником пищевого материала. Следовательно, определенная часть пищевой смеси будет представлена не исходными, компонентами соответствующей диеты, а самими бактериями. Кроме того, кишечная микрофлора может играть существенную роль в интенсификации продукции пищеварительных ферментов, что имеет решающее значение в случае ферментной недостаточности. Естественно, что такие факторы могут оказывать влияние на характер адаптационной реакции в ответ на ту или иную диету. К такому заключению, в частности, приводят результаты работ нашей лаборатории, представленные в монографиях «Проблемы клинической и экспериментальной энтерологии» и «Мембранный гидролиз и транспорт. Новые данные и гипотезы», опубликованных в 1981 и 1986 гг. Суть их такова.

При сопоставлении данных двух вариантов эксперимента, в первом из которых копрофагия была полностью исключена, а во втором сохранялась, были обнаружены существенные различия. В первом варианте эксперимента были выявлены выраженные приспособительные перестройки ферментного аппарата тонкой кишки крыс при изменении композиции пищи. В другом варианте, где ожидались сходные результаты, адаптивные перестройки были выражены слабо или полностью отсутствовали. Дополнительные опыты показали, что именно в отсутствие копрофагии и имеют место значительные изменения в реакции ферментных систем кишечной трубки на изменение пищевого рациона. При копрофагии наблюдается своеобразное демпфирование пищевых эффектов на ферментативную активность тонкой кишки благодаря тому, что важным компонентом питания крыс являются фекальные бактериальные культуры. В этих опытах с особенной отчетливостью проявилась функция бактериальной флоры как своеобразного буфера, предохраняющего внутреннюю среду организма от внешних «биохимических бурь», связанных с изменением состава пищи. Именно в этой связи мы ввели представление о кишечной флоре как о трофостате.

Важно, что в зависимости от состава бактериальной флоры в желудочно-кишечном тракте и от ее реакции на изменение композиции пищи находится и реакция макроорганизма, который в этих условиях образует вместе с бактериальной флорой единую надсистему.

3.5.4. Эндоэкология, внешние и внутренние трофические цепи

Когда мы вводили представление об эндоэкологии, мы исходили из общих концепций биологии и экологии и, в частности, из того, что в экосистеме существенную роль должны играть трофические цепи. Есть много убедительных доказательств реального существования таких трофических цепей во внутренних, а не только внешних экосистемах. Во внутренних цепях участвуют главным образом бактерии, но также растения, грибы и животные (в особенности простейшие), занимающие в трофических цепях различные места. В частности, было показано, что в пищеварительной системе термитов и некоторых других насекомых основными потребителями целлюлозы являются не бактерии, а определенные группы жгутиконосцев. Уничтожение этих простейших в эксперименте приводило к полной потере термитами способности питаться древесиной. Кроме того, у термитов и некоторых других беспозвоночных были обнаружены бактерии, способные фиксировать атмосферный азот (обзор: Schmidt-Nielsen, 1982). Иными словами, были выявлены организмы, стоящие в начале трофический цепи по азотсодержащим компонентам, хотя и нуждающиеся в органических источниках энергии. В то же время в желудочно-кишечном тракте как беспозвоночных, так и позвоночных продемонстрировано присутствие организмов, в особенности бактерий, выполняющих роль деградаторов органического вещества.

Таким образом, в пищеварительном канале были обнаружены различные варианты и звенья тех трофических цепей, которые мы традиционно относим лишь к внешним макроэкосистемам.

3.5.5. Оптимизация и восстановление эндоэкологии

Антибиотики — широко и многократно используемое средство лечения людей и различных сельскохозяйственных животных. Следует думать, что в этом случае даже при исходно нормальной микрофлоре она может быть частично или полностью уничтожена, а затем замещена случайной, следствием чего может быть возникновение различных по форме и степени нарушений. Однако часто такие нарушения могут начинаться значительно раньше из-за неблагоприятных условий, возникающих вследствие неоптимальной флоры, получаемой при рождении. Таким образом, уже сегодня возникают вопросы о способах конструирования и восстановления оптимальной микрофлоры, т. е. микроэкологии, и эндоэкологии организма.

Следует заметить, что, по всей вероятности, в будущем родильные дома будут располагать идеальными бактериальными поликультурами. Последние и будут (возможно, при вскармливании или иным путем) прививаться детям. Не исключено, что эти поликультуры будут собираться у наиболее здоровых матерей. Следует также выявить, будут ли оптимальные поликультуры в различных странах идентичны или должны различаться в связи с климатическими и другими особенностями жизни различных групп людей.

 

3.6. Элементные диеты и две теории питания

Напомним, что идея элементного (мономерного) питания, возникшая в конце XIX-начале XX в. и вытекающая из теории сбалансированного питания, заключалась в том, что нашу традиционную пищу можно и целесообразно заменить легкоусвояемыми мономерами, имитирующими смесь продуктов питания — белков, углеводов, жиров и др. Считалось, что такая пища вполне удовлетворит потребности организма.

Однако с позиций теории адекватного питания элементные диеты дефектны по многим причинам и, в частности, потому, что нарушают свойства и соотношение нутритивного (трофического) и токсического потоков вследствие выпадения защитных функций мембранного пищеварения и изменения эндоэкологии. Действительно, у моногастричных организмов (в том числе у человека) питание бактерий построено на использовании преимущественно неутилизируемых или медленно утилизируемых макроорганизмами компонентов пищи. Мембранное пищеварение, реализуемое ферментами, локализованными в недоступной бактериям щеточной кайме, препятствует поглощению ими нутриентов и обеспечивает стерильность процесса (Уголев, 1967, 1985). Такую стерильность 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 к нарушению эндоэкологии, к увеличению потока токсических веществ и к потере макроорганизмом ряда веществ, в том числе необходимых. При изучении эффектов мономерного питания нами, а затем многими другими исследователями зарегистрированы дисбактериозы и дополнительное дезаминирование аминокислот (обзор: Уголев, 1985).

Далее, имеются многочисленные сведения, касающиеся более быстрого (или идентичного) всасывания в тонкой кишке человека и животных олиго- и полисахаридов по сравнению с составляющими их свободными моносахаридами. Существует также множество данных о больших скоростях всасывания пептидов по сравнению с составляющими их свободными аминокислотами. Особенно интересно, что всасывание ферментных гидролизатов белков, состоящих преимущественно из олигопептидов, происходит быстрее, чем эквивалентной смеси аминокислот, симулирующих эти белки (обзоры: Химические и физиологические проблемы…, 1975, 1976; Silk, 1977; Gardner, 1984, 1988, и др.).

При специальном исследовании аккумуляции углеводов различной степени полимеризации в слизистой оболочке тонкой кишки крыс нами было обнаружено, что транспорт свободной глюкозы не зависит от состава диет, т. е. является стабильным процессом. В отличие от этого транспорт глюкозы, освобождающейся при гидролизе мальтозы и крахмала, значительно меняется и зависит от состава рациона (обзор: Уголев, 1972). Сходные результаты получены в Институте биологии АН Латвии (Рига) на цыплятах (обзор: Кушак, 1983).

Феномен более быстрого транспорта мономеров, образующихся при гидролизе олиго- и полимеров, чем свободных мономеров, может найти объяснение в свете концепции мембранного пищеварения. Эта концепция предполагает пространственную и структурноф ункциональную интеграцию заключительных этапов гидролиза и начальных этапов всасывания. Многими принимается, что интеграция реализуется за счет ферментно-транспортных комплексов мембраны, в которых интегрированы один или несколько ферментов и одна или несколько транспортных систем, реализующих трансмембранный перенос продуктов гидролиза. Идея такого комплекса сохраняет свое значение как для концепции мобильного переносчика, так и для гипотезы канала (Уголев, 1972, 1985, 1987а; Membrane digestion…, 1989). В ферментно-транспортном комплексе продукты гидролиза должны непосредственно передаваться с активного центра фермента на вход в транспортную систему мембраны с минимальным рассеиванием в водной фазе, а транспортная система не должна взаимодействовать с мономерами, присутствующими в водной среде (рис. 3.3).

Существуют отрицательные последствия длительного применения мономерных диет, охарактеризованные в ряде специальных сводок, в том числе в сводках «Химические и физиологические проблемы…», опубликованных в Риге в 1975 и 1976 гг. К таким последствиям относятся, в частности, замедление роста и уменьшение массы тела животных, увеличение экскреции аммиака, уменьшение экскреции электролитов, развитие гемолитической анемии и т. д. Недавно показано также, что при длительном использовании элементных диет происходит трансформация некоторых вводимых в организм лекарственных препаратов в токсические формы (Interaction of elemental diets…, 1988). Кроме того, мономерные диеты приводят к снижению функциональной нагрузки на ферментные системы желудочно-кишечного тракта, что сопровождается нарушением синтеза ряда ферментов, которые необходимы для нормальной деятельности организма. Далее, из-за высокой осмотической активности элементных диет нарушается распределение жидкости между кровью и энтеральной средой в результате перехода жидкости из крови в кишечник.

Однако при некоторых формах заболеваний и в определенных условиях элементные и безбалластные диеты могут быть весьма полезны. В частности, при врожденных и приобретенных дефектах ферментных систем тонкой кишки наиболее целесообразно исключать из пищи те вещества (например, лактозу, сахарозу и др.), гидролиз которых нарушен. Элементные диеты могут быть использованы при различных экстремальных воздействиях, вызывающих нарушения деятельности желудочно-кишечного тракта. При этом неадекватность, например имитаций белка набором определенных аминокислот, проявляется не сразу, а через определенный временной интервал, в течение которого эти аминокислоты могут служить полноценной заменой белка. Вероятно, отрицательные последствия элементных диет связаны с изменением бактериального состава или по крайней мере с изменением свойств бактериальной популяции кишечника.

Элементные, или мономерные, диеты важны при патологических состояниях, при которых наблюдается репрессия синтеза и включения в состав мембраны кишечных клеток ферментов, осуществляющих заключительные этапы пищеварения. В этом случае всасывания аминокислот и гексоз, входящих в состав олигомеров, не происходит. Такие феномены могут наблюдаться, в частности, под влиянием стрессорных факторов. Тогда аминокислоты могут быть использованы для поддержания удовлетворительного азотистого баланса, отрицательного при стрессе, для которого характерна потеря белков. Такой отрицательный азотистый баланс возникает за счет глюконеогенеза. Мы получили результаты, расширяющие классические представления о происхождении отрицательного азотистого баланса, которые опубликованы в 1972 г. (Уголев, 1972). Нами обнаружено, что при стрессе происходит снижение уровня дисахаридазных и особенно пептидазных активностей тонкой кишки за счет торможения включения ферментов в состав апикальной мембраны кишечных клеток, что приводит к ослаблению ассимиляции углеводов и главным образом белков. 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 подобных смесей целесообразно также в аварийных ситуациях, при чрезмерных физических нагрузках (например, в условиях экспедиций), при спортивных соревнованиях, при хирургических вмешательствах, а также в пред- и послеоперационные периоды, в условиях недостатка белка, при голоде, при высокой или низкой температуре окружающей среды, при ряде заболеваний и т. д., т. е. в случаях, которые сопровождаются возникновением стресса — общей для всех организмов реакции, являющейся неспецифической и рассматриваемой как обязательный компонент реакции на экстремальные воздействия.

 

3.7. Парентеральное питание

Одно из важных следствий теории сбалансированного питания — возможность прямого питания человека через кровь, минуя желудочно-кишечный тракт (парентеральное питание), также оказалось неправильным. По представлениям П.-Э.-М. Бертло, высказанным в начале нашего столетия, парентеральное питание человека должно быть весьма перспективным. По мнению сторонников этой идеи, такое питание приведет к постепенной атрофии желудочно-кишечного тракта и будет стимулировать формирование более совершенного человека.

Однако, принимая во внимание эндоэкологию кишечника, эта идея кажется крайне уязвимой (см. также гл. 5). Действительно, из-за отсутствия нутриентов нарушается бактериальная флора кишечника со всеми вытекающими отсюда отрицательными последствиями, включая постепенное развитие дисбактериоза. Существуют и другие причины, из-за которых рассматривать парентеральное питание как физиологическое по меньшей мере затруднительно.

Первоначально предполагалось, что невозможность такого питания обусловлена недостаточно очищенными компонентами пищи, вводимыми в кровь. Эти технические трудности были преодолены химиками и технологами. Тем не менее после внутривенного введения питательных веществ возникали некоторые фундаментальные дефекты, избежать которых не представлялось возможным. Так, выяснилось, что при парентеральном питании происходит нарушение различных эндокринных функций организма, изменение свойств рецепторов (в частности, рецепторов инсулина) и т. д. Приведем лишь несколько примеров этому, полученных в последние годы.

В частности, при парентеральном питании происходят нарушение отношения инсулин/глюкагон в сыворотке и падение уровня глюкагона и трииодтиронина (Т3) в плазме крови (Shulman, 1988). Этот тип питания может вызвать у детей усиление патологии, связанной с ожирением, заболеваниями сердца, добавками к грудному молоку и т. д. (Parenteral health…, 1988). Очень важно, что парентеральное питание приводит к атрофии слизистой оболочки тонкой кишки (Shulman, 1988; Clifford,Walker, 1989; Intestinal adaptation…, 1989, и др.).

Наконец, так как желудочно-кишечный тракт выполняет важные функции не только трансформации пищевых веществ в усвояемые организмом формы, но и депонирования, то введение нутриентов в кровь должно, по-видимому, приводить к нарушению функций депонирующих систем и механизмов (нервных и гормональных), их контролирующих. Изменения, наблюдаемые при сравнительно коротких периодах наблюдений (несколько дней или недель, в течение которых питание было исключительно парентеральным), в большинстве случаев обратимы. Тем не менее можно предполагать, что более продолжительные сроки парентерального питания должны привести к необратимым и более глубоким нарушениям метаболических и других характеристик организма. Поэтому парентеральное питание, хотя и спасает больного, но никогда не станет питанием здорового человека.

Прямое введение глюкозы в кровь в количествах, удовлетворяющих 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. Вместе с тем при так называемых экстренной терапии и экстренной хирургии, а также при различных формах патологии производится капельное введение глюкозы в кровь больному. Однако если глюкозу заменить мальтозой (дисахаридом, состоящим из двух молекул глюкозы), которая расщепляется ферментами, связанными с мембранами клеток печени, почек, капилляров и т. д., то образующаяся глюкоза будет хорошо утилизироваться, по-видимому в тех участках, где она будет освобождаться при гидролизе мальтозы. В результате этого будет достигаться снабжение организма глюкозой без перенапряжения инсулярного аппарата, без изменений ее уровня в крови и тяжелого дисбаланса. Кроме того, будет происходить уменьшение осмотической нагрузки в 2 раза. Таким образом, открываются новые, но совершенно другие возможности для внутривенного питания.

 

3.8. Защитные системы желудочно-кишечного тракта

Теория адекватного питания придает большое значение системам защиты организма от проникновения различных вредных веществ в его внутреннюю среду. Поступление пищевых веществ в желудочно-кишечный тракт следует рассматривать не только как способ восполнения энергетических и пластических материалов, но и как аллергическую и токсическую агрессию. Действительно, питание связано с опасностью проникновения во внутреннюю среду организма различного рода антигенов и токсических веществ. Лишь благодаря сложной системе защиты негативные стороны питания эффективно нейтрализуются.

Прежде всего следует отметить систему, которая до сих пор обозначается как механическая, или пассивная. Под этим подразумеваются ограниченная проницаемость слизистой оболочки желудочно-кишечного тракта для водорастворимых молекул со сравнительно небольшой молекулярной массой (менее 300–500) и непроницаемость для полимеров, в число которых входят белки, мукополисахариды и другие субстанции, обладающие антигенными свойствами. Однако для клеток пищеварительного аппарата в период раннего постнатального развития характерен эндоцитоз, способствующий поступлению во внутреннюю среду организма макромолекул и чужеродных антигенов (см. гл. 4). Имеются данные, что клетки желудочно-кишечного тракта взрослых организмов также способны поглощать крупные молекулы, в том числе нерасщепленные. Подобные процессы обозначены Г. Фолькхаймером как персорбция (Volkheimer, 1977). Кроме того, при прохождении пищи через желудочно-кишечный тракт образуется значительное количество летучих жирных кислот, одни из которых при всасывании вызывают токсический эффект, а другие — локальное раздражающее действие. Что касается ксенобиотиков, то их образование и всасывание в желудочно-кишечном тракте варьируют в зависимости от состава, свойств и загрязненности пищи.

Существует еще несколько механизмов, предупреждающих. поступление токсических веществ и антигенов из энтеральной среды во внутреннюю, два из которых трансформационные (Уголев, 1985, 1987а). Один из таких 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 мембраной кишечных клеток. Существенную роль могут играть внутриклеточные пептидазы, рассмотренные нами как дополнительный барьер и как механизм защиты от физиологически активных соединений (обзор: Уголев, 1985, и др.).

Для понимания механизмов защиты важно, что в слизистой оболочке тонкой кишки человека содержится более 400000 плазматических клеток в расчете на 1 мм2. Кроме того, выявлено около 1 млн. лимфоцитов в расчете на 1 см кишечной слизистой оболочки. В норме в тощей кишке содержится от 6 до 40 лимфоцитов на 100 эпителиальных клеток (обзор: Ferguson, 1979). Это означает, что в тонкой кишке, кроме эпителиального слоя, разделяющего энтеральную и внутреннюю среды организма, существует еще мощный лейкоцитарный слой.

Характеристике собственной иммунной системы тонкой кишки посвящен ряд детальных обзоров (Immunology…, 1977; Елецкий, Цибулевский, 1979; Ferguson, 1979; Walker, 1979; Kagnoff, 1987; Doe, 1989, и др.). Эта система имеет большое значение во взаимодействиях организма хозяина с кишечными бактериями, вирусами, паразитами, лекарственными веществами, химикалиями, а также при контакте с разными антигенными веществами. К их числу относятся экзогенные пищевые антигены, белки и пептиды пищи, аутоантигены десквамированных кишечных клеток, антигены микроорганизмов и вирусов, токсины и т. д. В дополнение к нормальной протективной роли кишечная иммунная система может играть роль в патогенезе некоторых кишечных заболеваний.

Кишечная иммунная система является частью иммунной системы организма и состоит из нескольких различных компартментов. Лимфоциты этих компарт ментов обладают многими сходными чертами с лимфоцитами некишечного происхождения, но имеют и уникальные особенности. При этом популяции различных лимфоцитов тонкой кишки взаимодействуют благодаря миграции лимфоцитов из одного компартмента в другой.

Лимфатическая ткань тонкой кишки составляет около 25 % всей кишечной слизистой. Она представлена в форме скоплений в пейеровых бляшках и в lamina propria (отдельные лимфатические узелки), а также популяцией рассеянных лимфоцитов, локализованных в эпителии и в lamina propria. Слизистая оболочка тонкой кишки содержит макрофаги, Т-, В- и М-лимфоциты, интраэпителиальные лимфоциты, клетки-мишени и др. (рис. 3.4).

Пейеровы бляшки (около 200–300 у взрослого человека) представляют собой организованные скопления лимфатических фолликул, в которых находятся предшественники популяции лимфоцитов. Эти лимфоциты окончательно заселяют другие области кишечной слизистой оболочки и принимают участие в ее локальной иммунной деятельности. В этом отношении пейеровы бляшки могут быть рассмотрены как область, инициирующая иммунную деятельность тонкой кишки.

Пейеровы бляшки содержат как В-клетки, так и Т-клетки. У безмикробных животных пейеровы бляшки невелики, хотя редуцированы главным образом В-клетки. Кроме того, в эпителии над пейеровыми бляшками локализовано небольшое количество М-клеток. Так как эти клетки содержат везикулы, то можно полагать, что они направляют антигены, поступающие из полости тонкой кишки, в область Т-клеток пейеровых бляшек.

Функции различных лимфоидных клеток тонкой кишки в деталях еще не изучены. Особый интерес представляют интраэпителиальные лимфоциты, которые расположены между эпителиальными кишечными клетками в базальной части эпителия ближе к базальной мембране (рис. 3.4). Их отношение к другим кишечным клеткам составляет приблизительно 1:6. Примерно 25 % интраэпителиальных лимфоцитов обусловлено маркерами Т-клеток (обзор: Kagnoff, 1987).

Как отмечено выше, иммунная система кишечника, и в первую очередь тонкой кишки, встречает огромное количество экзогенных пищевых антигенов. Клетки как тонкой, так и толстой кишки продуцируют иммуноглобулины (IgA, IgE, IgG, IgM), преимущественно IgA (табл. 3.6). Иммуноглобулины А и Е, секретируемые в полость кишки, по-видимому, адсорбируются на поверхности кишечных клеток, создавая в области гликокаликса дополнительный защитный слой.

Таким образом, иммунные механизмы могут действовать в полости тонкой кишки, на ее поверхности и в lamina propria. В то же время кишечные лимфоциты могут распространяться в другие ткани и органы, включая молочные железы, женские половые органы, лимфатическую ткань бронхов, и участвовать в их иммунитете. Повреждения механизмов, контролирующих иммунитет организма и иммунную чувствительность тонкой кишки к антигенам, могут иметь значение в патогенезе нарушений локального иммунитета кишечника и в развитии аллергических реакций.

Неиммунные и иммунные механизмы защиты тонкой кишки предохраняют ее от чужеродных антигенов. Пищеварительные протеазы тонкой кишки, ее моторная деятельность, микрофлора, гликокаликс представляют собой неспецифический защитный барьер. Функции такого защитного барьера в тонкой кишке выполняет также слизь, свойства которой освещены в ряде отечественных и зарубежных сводок (см., в частности: Гальперин, Лазарев, 1986; Forstner, Forstner, 1986).

Таблица 3.6. Количество клеток в тонкой и толстой кишке, продуцирующих иммуноглобулины (по: Пищевые волокна, 1986)

Следовательно, хотя слизистая оболочка пищеварительного тракта потенциально служит областью, через которую возможно проникновение антигенов и токсических веществ во внутреннюю среду организма, здесь же действует эффективная дублированная система защиты, включающая в себя как механические (пассивные), так и активные факторы защиты. 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.

 

3.9. Заключительные замечания

(краткое сопоставление теорий сбалансированного и адекватного питания)

В заключение попытаемся кратко сопоставить две теории питания — классическую и новую.

Открытие общих закономерностей ассимиляции пищевых веществ, одинаково справедливых для наиболее примитивных и для наиболее высокоразвитых организмов, неизбежно вело к формированию новой эволюционно аргументированной теории, пригодной для интерпретации ассимиляторных процессов не только у человека, но и у других групп организмов. Предложенная нами теория адекватного питания не является модификацией классической, а представляет собой новую теорию с другой аксиоматикой. Вместе с тем один из основных постулатов классической теории, согласно которому поступление и расход в организме пищевых веществ должны быть сбалансированы, новая теория целиком принимает.

Согласно теории сбалансированного питания, пища, которая представляет собой сложноорганизованную структуру и состоит из нутриентов, балластных веществ и в ряде случаев токсических продуктов, подвергается механической, физико-химической и, в особенности, ферментативной обработке. В результате этого полезные компоненты пищи извлекаются и превращаются в лишенные видовой специфичности соединения, 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 ряда продуктов жизнедеятельности бактериальной флоры, частично утилизирующей нутриенты и балласт, формируются секреты, 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.

Согласно теории адекватного питания, питание, а также переход от голодного состояния к сытому обусловлены не только нутриентами, но и различными жизненно важными регулирующими соединениями, поступающими из кишечной во внутреннюю среду организма. К таким регулирующим соединениям прежде всего относятся гормоны, вырабатываемые многочисленными эндокринными клетками желудочно-кишечного тракта, которые по числу и разнообразию превосходят всю эндокринную систему организма. К регулирующим соединениям относятся также такие гормоноподобные факторы, как дериваты пищи, образованные вследствие воздействия на нее ферментов пищеварительного аппарата макроорганизма и бактериальной флоры. В некоторых случаях не удается провести четкой грани между регуляторными и токсическими веществами, примером чему служит гистамин.

С точки зрения классической теории питания, микрофлора пищеварительного аппарата у моногастричных организмов, включая человека (но не жвачных), даже не нейтральный, а, скорее, вредный атрибут. С позиций теории адекватного питания бактериальная флора желудочно-кишечного тракта не только у жвачных, но и, по-видимому, у всех или подавляющего большинства многоклеточных организмов — необходимый участник ассимиляции пищи. В настоящее время установлено, что при пищевой деятельности у многоклеточных организмов в пищеварительной системе происходит не только извлечение из пищи некоторой их полезной части — первичных нутриентов, но и трансформация различных компонентов пищи под влиянием микрофлоры, а также обогащение продуктами ее жизнедеятельности. В результате этого неиспользованная часть пищевых веществ превращается в активную и обладающую рядом важных свойств часть энтеральной среды.

Энтеральная среда, которая может быть охарактеризована как промежуточная среда организма, образуется за счет микрофлоры, населяющей желудочно-кишечный тракт, жидкой фазы, а также экзогенных и эндогенных веществ. Наряду с внутренней и внешней средами она имеет первостепенное значение для организма. Энтеральная среда находится под двойным контролем: со стороны хозяина и со стороны симбионтов. Образуется сложная система, обозначаемая как эндоэкология. Эндоэкология существенна для понимания видовых особенностей питания, его адаптивных возможностей и патологии. Она в значительной степени зависит от функционального состояния организма и в то же время определяется различными химическими и биологическими воздействиями на него.

Для сложных организмов справедливо считать, что в метаболическом смысле они представляют собой надорганизменные системы, у которых имеет место взаимодействие хозяина с определенной микрофлорой. Под действием микрофлоры образуются вторичные нутриенты, которые чрезвычайно важны, а во многих случаях необходимы. Источником вторичных нутриентов служат балластные пищевые вещества, участвующие в регуляции многих локальных функций организма.

Ассимиляция пищи, в соответствии с классической теорией питания, сводится к ферментативному гидролизу ее сложных органических структур и извлечению простых элементов — собственно нутриентов. Отсюда вытекает ряд фундаментальных идей о целесообразности обогащения пищи, т. е. об отделении компонентов, содержащих нутриенты, от балласта, а также об использовании в качестве пищевых продуктов готовых нутриентов, т. е. конечных продуктов расщепления, пригодных к всасыванию или даже введению в кровь, и т. д. В отличие от этого, согласно теории адекватного питания, имеет место не только расщепление пищи, но еще и приготовление нутриентов и физиологически активных веществ в результате воздействия микрофлоры желудочно-кишечного тракта, в частности на балластные вещества. Таким путем образуются многие витамины, летучие жирные кислоты и необходимые незаменимые аминокислоты, что существенно влияет на потребности организма в поступающих извне пищевых продуктах. Соотношение между первичными и вторичными нутриентами может варьировать в широких пределах в зависимости от видовых и даже индивидуальных особенностей микрофлоры. Кроме того, наряду с вторичными нутриентами под влиянием бактериальной флоры образуются токсические вещества, в частности токсические амины. Деятельность бактериальной флоры, которая является обязательным компонентом многоклеточных организмов, тесно связана с рядом важных особенностей макроорганизма.

Итак, в свете новой теории питание — это чрезвычайно сложный процесс, в котором пищеварение служит не только способом извлечения полезных компонентов пищевого «сырья». Эта теория возвращает нас к некоторым общим идеям античного естествознания, которые заключаются в том, что в процессе пищеварения образуются новые компоненты пищи. Далее, обогащение пищи за счет удаления балластных веществ, полезное с позиций классической теории, кажется неправильным в рамках новой теории. Точно также подавление бактериальной флоры противоречит теории адекватного питания, хотя и хорошо согласуется с представлениями, развиваемыми классической теорией сбалансированного питания.

Как неоднократно отмечено, развитие теории адекватного питания опирается на общебиологические и эволюционные закономерности, а также на достижения ряда наук, в особенности биологии, химии, физики и медицины. Действительно, для биолога крайне существенна не только «формула», но и технология какого-либо процесса, так как эволюция идет именно в направлении оптимизации технологии биологических процессов. В биологических системах чрезвычайно многое зависит от технологии процессов, так как их высокая эффективность, а иногда и сама возможность связаны с реализацией определенных промежуточных звеньев. Недостаточная эффективность их реализации или их взаимодействий нарушает функционирование системы в целом. Такое представление объясняет некоторые фундаментальные различия между теориями сбалансированного и адекватного питания. Первая теория в сущности определяется балансной формулой питания, вторая, кроме такой формулы, учитывает и технологию питания, т. е. технологию процессов ассимиляции пищи различными группами организмов.

Наконец, теория адекватного питания является одним из центральных элементов междисциплинарной науки трофологии. Объединение многих разделов биологических и медицинских наук, касающихся разных аспектов ассимиляции пищи биологическими системами различной степени сложности (от клетки и организма до экосистем и биосферы), в одну науку необходимо для понимания фундаментального единства природы. Это важно также для характеристики процессов взаимодействия в биосфере на основе трофических связей, т. е. для рассмотрения биосферы как трофосферы. Но в не меньшей, а может быть в большей мере формирование трофологии, и в том числе теории адекватного питания, существенно 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 пищи организмами, стоящими на разных уровнях эволюционной лестницы. Эту проблему следует рассматривать с некоторых унитарных позиций на основе более обширных и глубоких, чем ранее, взглядов.

Таким образом, теория адекватного питания это, если так можно сказать, теория сбалансированного питания, у которой выросли «биологические крылья». Это означает, что теория адекватного питания применима не только к человеку или одной определенной группе животных, но и к самым различным видам животных и, более того, ко всем группам организмов.