Самый миниатюрный в мире ротик
Помните амебу: я рассказывал, как она питается. Ползла, ползла и наткнулась на зеленый шарик – микроскопическую водоросль, обняла ее ложноножками, обтекла полужидким телом со всех сторон, и водоросль уже внутри амебы.
С амебы все и началось. У нее (и ее родичей жгутиконосцев) был первый в мире желудок. Вернее, первая импровизированная модель желудка: пищеварительный пузырек – вакуоль.
Как только водоросль (или бактерия), «утонув» в амебе, погружается в ее протоплазму, сейчас же эта протоплазма как бы немного отступает, сторонясь своей добычи, и в пустоту натекает жидкость: образуется внутри амебы (и вокруг водоросли) пищеварительная вакуоль[57].
«Пищеварительная» потому, что в соках, ее наполняющих, растворены разные ферменты. Например, пепсин, которого немало и в нашем желудке. От этих ферментов жгутиконосцы (амебы «глотают» их порой по сто штук!) через сутки, а то и через полсуток превращаются в… молекулы: глюкозу, мальтозу, глицерин, жирные кислоты и в пептиды.
В общем перевариваются. Потом всасываются в протоплазму амебы из вакуоли-желудка. А что не переварилось, амеба в себе не бережет, выбрасывает наружу: вакуоль течет вместе с протоплазмой к краю амебы – любому концу ее тела – и, прорвавшись через тонкую пленочку эктоплазмы, то есть через «кожу» амебы, выливается прочь.
Значит, 2–3 миллиарда лет назад в мире уже просило есть нечто похожее на желудок.
Вторым изобретением по части добычи и переработки пищи был рот. Первую его модель, еще очень примитивную, мы видим у древнейших из древнейших животных (или растений?) – у жгутиконосцев. Их самый миниатюрный в мире ротик жадно раскрылся малюсенькой дырочкой на крохотном тельце у корней беспокойных жгутиков. Но вначале это была даже и не дырочка, а «воспринимающий» бугорок – кусочек мягкой и липкой протоплазмы. Затем липкий бугорочек словно провалился внутрь и получился ротик-дырочка и за ней тоннель: глотка. И рот и глотку немного усовершенствовали потомки древних жгутиконосцев, обросшие ресничками инфузории.
Реснички на инфузории колышутся, как хлеба в поле; гребут по воде, словно весла у галеры, и инфузория плывет. Эти же реснички загоняют и пищу (бактерий) в рот – глубокую воронку в теле инфузории. На самом дне воронки навстречу попавшим туда бактериям приблизительно каждые две минуты образуется пищеварительная вакуоль. Заключив пленников в свои соки, она отрывается от воронки и отправляется в турне по инфузории. Путь вакуоли внутри протоплазмы вполне определенный: обычно вперед, к переднему концу инфузории, потом полукруг направо и снова назад к месту старта, опять поворот и вперед – цикл замкнулся. Но вакуоль не остановилась: снова и снова кружится маршрутом нам известным.
Описав вместе с вакуолью несколько таких кругов, пища в ней переваривается. Переваривают ее в основном те же самые биологические катализаторы – ферменты, которые работают и в нашем желудке и кишках. Изобретены они были на заре жизни и с тех пор почти не менялись.
И так же, как и внутри нас, пища в инфузории, перевариваясь, проходит через две фазы – кислую и щелочную. Сначала сок в вакуоли кислый (как у нас в желудке). Он убивает и чуть разлагает бактерий, действуя на них кислотой и ферментом пепсином. Потом постепенно (к концу первого оборота) сок, наполняющий импровизированный желудок инфузории, превращается в щелочной, и тогда за дело принимается трипсин (как у нас в тонких кишках).
То, что ни пепсину, ни трипсину, ни другим ферментам переварить не удается, вакуоль выбрасывает вон, но не где попало, как у амебы, а только в одном определенном месте – через порошицу на заднем конце тела инфузории.
Значит, уже и отверстие, противоположное рту (не входное, а выходное), освобождало наших одноклеточных предков от обменных шлаков.
Но потом, позднее, про него на время вроде бы забыли. У одних из первых на Земле многоклеточных животных, кишечнополостных, был только рот – входное отверстие для пищи да слепо замкнутый желудок-кишка. А выходного – анального, порошицы – не было. Не было его (и до сих пор нет) и у низших, так называемых плоских, червей.
Только круглые черви, предки и родичи аскарид и немертины, развившиеся из червей плоских, снова обзавелись порошицей, без которой отлично обходились (и обходятся) кораллы и медузы.
Наконец, появляются в море рыбы и вместе с ними весь набор пищеварительных органов от зубов до прямой кишки. С тех пор, хотя рыбы, эволюционируя, превратились в амфибий, динозавров, птиц, зверей и, наконец, произвели человека, пищеварительный механизм, действующий внутри всех позвоночных, остался, по существу, таким же, каким был у первых рыб, резвившихся в соленой воде 500 миллионов лет назад.
Пищеварение № 1
Каков же в общих чертах этот механизм?
Пища изо рта попадает сначала в желудок. Там встречают ее соляная кислота и ферменты: пепсин, разлагающий белки, и реннин – специалист по казеину, который переваривается особенно трудно. Желудок, периодически сокращаясь, мнет и встряхивает пищу, превращает ее сначала в пюре, потом в густой суп-химус.
Через час или через четыре часа желудок уже пуст.
Химус весь перетек в тонкую кишку. Это трубка из мышц и слизистых тканей длиной так метров семь (у человека)[58] и толщиной в дюйм (два с половиной сантиметра).
Часть тонкой кишки, которой она начинается от желудка, называют двенадцатиперстной (длиной она в 12 положенных поперек перстов – около 25 сантиметров). В нее несут и выливают свои соки поджелудочная железа и желчный пузырь. Да и сама двенадцатиперстная кишка добавляет в химус немало разных ферментов: карбоксипептидазу, аминопептидазу, энтерокиназу, мальтозу, сахарозу, лактозу… Все они, как и ферменты поджелудочной железы (трипсин, липаза, амилаза, рибонуклеаза) и желчь, действуют только в щелочной среде, и поэтому лакмус посинеет, если капнем на него соком тонких кишок.
В тонких кишках пищеварение, начатое еще в слюне и желудке, заканчивается. Все ферменты и желчь[59] сообща превращают белки, жиры и углеводы растертой зубами и желудком пищи в пептиды, аминокислоты, в глюкозу, мальтозу, фруктозу, в глицерин, жирные кислоты и другие вещества, молекулы которых достаточно малы, чтобы пройти через поры кишечных ворсинок в кровь и лимфу.
Это называется всасыванием. Оно начинается и заканчивается в тонких кишках (только спирт и некоторые яды проникают в кровь еще в желудке, а вода – в толстых кишках).
Через восемь примерно часов все, что можно переварить, уже переварено[60], что можно всосать, тонкие кишки всосали, а непереваримые остатки химуса, покинув их, устремляются в толстые кишки. Там уже никакого пищеварения нет: только вода из химуса впитывается в наше тело.
Через двенадцать часов (или через сутки) толстые кишки, опорожняясь, выбрасывают экскременты. В них очень много бактерий – почти половина того, от чего освобождается кишечник как от ненужного шлака.
У животных и человека по всему пищеварительному тракту, от его начала и до конца, особенно в толстых кишках, миллиардными колониями поселились бактерии. Многие из них никакого вреда не приносят, а некоторые и вовсе полезны.
Они оказывают нам важную услугу: обогащают проглоченную пищу белком и витаминами. За каждым обедом мы перевариваем вместе с пищей бесчисленные легионы «доморощенных» кишечных бактерий, которые размножаются, однако, быстрее, чем мы успеваем их съедать.
Какова численность этих легионов, населяющих наши кишки, с точностью неизвестно. Но подсчитано, что корова, например, съедает ежедневно 34 грамма бактерий, размножающихся в желудке, а это около 3 процентов ее суточного белкового рациона.
Бактерии – его помощники
Все питающиеся деревом жуки-дровосеки и жуки-сверлильщики, моль, поедающая шерсть, и насекомые, сосущие соки растений, и сосущие нашу кровь комары без помощи бактерий просто не могли бы существовать на своей однообразной диете.
Даже в крохотном тельце микроскопической амебы-пеломиксы живут бактерии. Амеба поедает полуразложившиеся остатки растений, «глотает», если предложить ей, кусочки ваты или бумагу. Бактерии сейчас же их окружают и всем «обществом» перерабатывают вату и бумагу в продукты вполне съедобные. Во всяком случае, амебы после этого неплохо их усваивают.
У личинок сверчков, мух, мошек и у многих жуков (майского навозного и жука-оленя) бактерии наполняют слепые выросты кишечника – своего рода «бродильные чаны»: пища в них действительно бродит, как пиво в пивоварне. Бактерии разлагают клетчатку – основное вещество, из которого состоит всякое растение. И то, что в «бродильном чане» после этого остается, всасывает кишечник насекомого.
Но даже и бактериям не без труда, по-видимому, удается расщепить клетчатку: процесс этот очень длительный. Через весь кишечник личинки майского жука пища обычно проходит за три-четыре дня, но, попадая в конце его в «бродильные чаны», задерживается здесь на два месяца. Только за это время бактерии успевают превратить клетчатку в сахар. По-видимому, из-за медленного пищеварения личинка майского жука так долго растет. Проходят годы, прежде чем она совершит свой метаморфоз и в образе бурого хруща теплым майским вечером выберется из-под земли.
Как бактерии-кормильцы попадают в кишечники хозяев, ученые установили, наблюдая за развитием зеленой мухи, пренеприятнейшего существа. У нее обнаружена целая система эстафетной передачи бактерий от поколения к поколению.
Личинки зеленой мухи носят бактерий в шарообразных ответвлениях кишечника. Но перед тем как превратиться в куколку, личинка изгоняет их из обжитых квартир. Часть бактерий попадает в специально приготовленное для них новое помещение (в особый «отсек» слюнной железы) и здесь сохраняется для потомства будущей мухи. Это своего рода семенной фонд. Излишек выбрасывается вон.
Бактерии, которым повезло, быстро размножаются в слюнных отсеках: железы мухи вырабатывают для их пропитания особый бульон. А когда молодая муха выберется из оболочек куколки, бактерии совершают еще одно переселение: поближе к яйцекладу, в бактериальные депо у его основания. Каждое яичко, отложенное мухой, проходя мимо этих депо, заражается бактериями, и поэтому личинкам мухи, хотя едят они пищу, перед которой бессильны их собственные пищеварительные соки, не приходится голодать.
Ежегодно в клиниках всего мира хирурги, спасая заболевших аппендицитом, удаляют около 200 тысяч человеческих аппендиксов. Наша подверженность этому заболеванию доказывает, что человек произошел от предков, которые поедали много всякой зелени. Ведь аппендиксы – червеобразные отростки слепых выростов кишечника (там, где тонкая кишка переходит в толстую), – которые воспаляются, когда в них попадает что-нибудь труднопереваримое, подобны «бродильным чанам» зеленой мухи и майского жука. В них поселяются бактерии, разлагающие клетчатку. Поэтому все растительноядные животные наделены большими аппендиксами. У человека они сохранились как бесполезное атавистическое наследство, и их без вреда можно вырезать.
Но если удалить аппендиксы, скажем, у петуха (у птиц их два, а не один, как у нас), он умрет от голода, сколько бы ни съедал зерен и ягод. Лишь пища мясная, которую он сам, без бактерий, переваривает, может спасти его от голодной смерти.
Вегетарианская диета противопоказана петухам после аппендицитной операции. У хищников – ястребов и орлов – «бродильные чаны» маленькие: они ведь мясом питаются. А у тетеревов, рябчиков, глухарей, которые едят зимой только древесные почки, сосновую хвою и клюкву, такие же длинные, как и весь остальной кишечник.
Семнадцать лет назад биолог Гардер сделал любопытное открытие. И до него еще животноводы замечали странные повадки у некоторых животных: стремление поедать свой помет. Это считалось врожденным пороком. Но, оказывается, дело тут не в дурных привычках, а в физиологии. Когда Гардер отучил от скверной привычки подопытных мышей и морских свинок, они все умерли через две-три недели. Он установил, что в помете этих животных содержатся витаминизированные «пилюли» – цекотрофы. Их приготавливают бактерии в слепых кишках морских свинок, мышей, кроликов, зайцев, белок и многих других грызунов. Без цекотрофов, богатых, кроме витаминов, еще какими-то редкими веществами, животные не могут жить (кролики, правда, не умирают, но растут плохо). Цекотрофы образуются лишь в слепой кишке, а из нее попадают сразу в толстые кишки, и организм животного не успевает их усвоить. Лишь когда цекотрофы съедены, содержащиеся в них необходимые для жизни вещества поступают в кровь и ткани животного.
Пищеварение № 2 и № 3
При всех процессах, о которых только что шла речь, пища «варилась» вне клеток, внутри желудка и кишок. Поэтому и назвали такое пищеварение «полостным внеклеточным», или первым, пищеварением. Еще недавно думали, что первое есть и последнее пищеварение, кроме него другого нет.
Двести лет назад натуралисты Реомюр и Спалланцани положили кусочек мяса в пробирку и залили его желудочным соком. Мяса не стало: оно растворилось. Так, говорят, было открыто пищеварение. Повторяя их опыты, биологи еще в конце прошлого века заметили, что в пробирках, однако, пища переваривается в несколько десятков раз медленнее, чем в живом желудке и кишечнике. Хотя соки и ферменты были и там и тут одни и те же.
Думали сначала, что тут виной несовершенство техники пробирочного пищеварения. Но в наши дни техника шагнула так далеко вперед, что экспериментаторы могут «варить» пищу в лабораториях в таких же почти условиях, как это делает природа. Тут и необходимые ферменты, и перемешивание, и температура – словом, все, что нужно. Но, увы, результаты не те.
Тогда вспомнили про амебу, про лейкоциты и про то, что многие клетки сами умеют переваривать разные вещества и даже разных существ, которых в состоянии «проглотить». Это назвали фагоцитозом, а «охоту» клетки за нужными ей веществами – пиноцитозом.
Я о нем уже говорил: в клетке образуется углубление, оно замыкается в пузырек, или вакуоль. Вакуоль отрывается и уходит внутрь клетки вместе с захваченной в плен жидкостью и растворенными в ней веществами. И там за них принимаются клеточные органеллы лизосомы, растворяют их.
Фагоцитозную и пиноцитозную трапезы клеток назвали внутриклеточным, или вторым, пищеварением. Понятно, что, включившись в общее дело, клетки кишечника, пиноцитируя, значительно ускоряют пищеварение. А в пробирках нет живых клеток, поэтому оно там идет медленнее.
Однако и пиноцитоз всех темных мест пищеварения, всех непонятных его тайн не объясняет. И вот недавно, несколько лет назад, советский физиолог Александр Михайлович Уголев открыл третье пищеварение: пристеночное, или контактное.
Совершается оно на поверхности клеток, выстилающих внутренние стенки тонких кишок. Они сплошь поросли здесь мельчайшими ворсинками – их 200 миллионов на каждом квадратном сантиметре кишки! И в этих ворсиночных джунглях оседают всевозможные ферменты: получается своего рода пористый катализатор, вроде тех, с которым работают химики, и поэтому пищеварение в пристеночной зоне протекает в очень энергичном темпе. Бактериям же вход в зону ворсинок закрыт: они не могут туда пролезть, потому что значительно крупнее промежутков между ворсинками. Значит, третье пищеварение идет в условиях весьма стерильных. А первое не стерильно: бактерии деятельно ему помогают.