Энергия и питательные вещества

Животные нуждаются в пище, в результате переваривания которой они получают определенные специфические питательные вещества и витамины для роста и восстановления тканей, а также для борьбы с паразитами и болезнетворными организмами.

Клетки тела получают энергию главным образом в форме глюкозы, растворенной во внеклеточной жидкости. В процессе метаболизма эта энергия высвобождается в клетке наряду с водой, двуокисью углерода и теплотой в качестве побочных продуктов. Глюкоза попадает во внеклеточную жидкость либо непо-

Рис. 15.8. Механизмы сохранения воды, действующие, когда питье невозможно. При усилении жажды антидиуретические гормоны гипофиза вызывают удержание воды в почках, и с мочой ее теряется меньше. Другой важный способ сохранения воды - уменьшение потребления пищи, так как ее переваривание и дефекация в норме связаны с потерей воды.

средственно из переваренной пищи, либо из печени, в которой запасается в виде гликогена.

Клетки тела получают энергию также при окислении жирных кислот. Исключение составляют нервные клетки, поскольку они могут использовать только глюкозу. Для того чтобы обеспечить достаточное количество энергии клеткам нервной системы, необходимо, чтобы уровень глюкозы в крови сохранялся примерно на одном уровне. Доступность глюкозы для клеток регулируется гормоном инсулином. Нервные клетки могут поглощать глюкозу и в отсутствие инсулина, но другим клеткам инсулин требуется для транспорта глюкозы через наружную мембрану. При недостатке глюкозы, например при голодании, уровень инсулина в крови падает настолько, что глюкоза становится доступной только нервным клеткам, а другие получают энергию за счет окисления жирных кислот. При воздержании от пищи глюкоза поступает из резервов организма, к которым относятся запасы гликогена в печени и мышцах, запасы жира в разных частях тела и, как последнее средство, белок мышц и других тканей. Жир расщепляется на глицерол и жирные кислоты, а глицерол в печени превращается в глюкозу. Белок расщепляется до аминокислот, из которых также в печени образуется некоторое количество глюкозы. Источники энергии при голодании представлены на рис. 15.9.

Другим главным источником энергии служит пища. Виды животных сильно различаются по количеству и типам необходимого им корма. Мелкие животные с интенсивным метаболизмом, например певчие птицы (Passeriformes), не получая пищу, начинают быстро ощущать недостаток энергии. Для сохранения массы тела и нормальной активности большая синица (Parus major) должна питаться каждые несколько минут. Ночью, когда это невозможно, некоторые птицы цепенеют, снижая температуру тела и сохраняя тем самым энергию. Другие животные могут использовать энергетические резервы и долгое время обходиться без пищи. Например, высиживающая птенцов кустарниковая курица (Gallus) не питается много дней и ест мало, даже если корм положен около гнезда (Sherry et al. 1980). Животные с метаболизмом, замедляющимся при низких температурах, - рыбы, пресмыкающиеся и млекопитающие во время зимней спячки - могут неделями не потреблять пищи.

Попавшая в рот пища или тут же запасается (в зобе голубей, защечных мешках хомяков и т.д.), или переходит в желудок и кишечник и переваривается. Ферменты в пищеварительном тракте расщепляют пищевые вещества до их основ-

Рис. 15.9. Основные источники энергии, доступные во время голодания (По Toatcs, 1980.)

ных компонентов. Так, липаза разлагает молекулы жира на глицерол и жирные кислоты, а трипсин и химотрипсин расщепляют специфические аминокислотные связи в белках. Процесс пищеварения и участвующие в нем ферменты значительно различаются у разных видов животных. У одних, например у плоского червя планарии, полный пищеварительный тракт отсутствует, у других, в частности у травоядных позвоночных, очень сложные пищеварительные системы позволяют справляться с растительными материалами типа клетчатки, которую другие животные переваривать не в состоянии. Продукты переваривания переходят в кровоток отчасти за счет диффузии, а отчасти за счет активного транспорта через кишечную стенку.

Процесс переваривания и характер питания часто тесно связаны. Многие животные изменяют потребление пищи в зависимости от питательной ценности продуктов пищеварения. В регуляции этого типа участвует много механизмов, из которых самый простой состоит в прямом обнаружении вещества, как это предположительно происходит с ионами натрия. Высокое и достаточно постоянное его содержание в жидкостях организма жизненно важно. Натрий участвует во многих фундаментальных физиологических процессах, включая распространение нервных импульсов (см. гл. 11). В природе он доступен для животных в виде хлористого натрия (поваренной соли), но встречается нечасто. Поэтому неудивительно, что животные должны обладать специальной тягой к натрию. Они обнаруживают его в пище двумя главными способами. Во-первых, для большинства позвоночных поваренная соль обладает выраженным вкусом (см. разд. 12.1). Во-вторых, натрий оказывает сильное действие на жидкую среду организма, как было указано выше, и его дефицит приводит к секреции гормона альдостерона из коры надпочечников, который вызывает реабсорбцию натрия из мочи, образующейся в почках.

Тяга к натрию, по-видимому, является врожденной, но многие животные хорошо научаются распознавать и запоминать места, где находятся его источники. Так, например, крысам можно предоставить выбор между пресной и соленой водой в качестве награды в лабиринте. Крысы, которым не давали пить, научались оказывать предпочтение тому месту в лабиринте, где была пресная вода. Если тех

же крыс затем лишали не воды, а натрия, они немедленно переключались на соленую воду, т. е. они запоминали, где находится натрий, несмотря на то, что пробовали его, когда, испытывая жажду, отвергали соленую воду (Krieckhaus, 1970).

Животные не способны обнаруживать непосредственно многие необходимые витамины и минеральные вещества по вкусу и не чувствуют изменения их уровня в крови. Тем не менее при их недостатке животные начинают заметно предпочитать пищу, содержащую такие вещества. Долгие годы этот специфический голод был своего рода загадкой для ученых, которые пытались объяснить, откуда животное знает, какая пища содержит полезный для него ингредиент. В медицинской литературе имеются также сообщения о детях, которые едят уголь и другие необычные вещества. Такие привычки объяснялись недостатком в пище определенных элементов, например кобальта, но как ребенок узнает, что надо есть, остается непонятным.

Крысы с дефицитом тиамина сразу же оказывают предпочтение новой пище, даже если в ней нет тиамина, а в прежнюю он добавляется (Rodgers, Rozin, 1966). Предпочтение это сохраняется недолго, но, если потребление новой пищи сопровождается устранением дефицита, животное быстро научается предпочитать ее. Такое быстрое научение на основе физиологических последствий поедания позволяет крысе пробовать новые источники пищи и таким образом находить пищу, содержащую требуемые ингредиенты. Подробное изучение пищевого поведения крыс показывает, что в норме они стремятся избегать нового корма или поедать его совсем мало за один прием. Промежутки между едой достаточно велики для того, чтобы животное могло оценить последствия потребления новой пищи. Ученые обнаружили также, что у крысы во время еды некоторая часть пищи быстро переходит из желудка в кишечник, минуя ранее заглоченный корм, который все еще находится в желудке (рис. 15.10). Таким образом крыса может оценить особенности пищи, проглоченной позднее (Wiepkema et al., 1972).

Рис. 15.10. Желудки крыс; видно распределение нищи синего цвета (темные участки), съеденной после неокрашенной пищи. (По Wiepkema et al., 1972.)

Специалисты считают (Rozin, Kalat, 1971; Rozin, 1976a), что безвитаминная пища подобна яду замедленного действия. Было отмечено (Rozin, 1967), что крысы, не получающие тиамина, отказываются от привычной пищи, но жадно поедают новый корм, тоже лишенный ти-

амина. Отвращение к обычной еде сохранялось даже после того, как дефицит был устранен. Крысы, отравившиеся ядовитой пищей, тоже отказываются от нее и проявляют повышенный интерес к новым видам корма. Таким образом, реакция крысы на неполноценную пищу и ее поведение по отношению к токсичному корму очень близки. Этот вопрос будет рассмотрен в гл. 18.

Пищевые потребности животного многочисленны и разнообразны. У крысы они включают воду, девять незаменимых аминокислот, несколько жирных кислот и по меньшей мере 10 витаминов и 13 минеральных веществ (Rozin, 1976). Несмотря на множество научных работ, вопрос о том, какие физиологические процессы инициируют еду. до некоторой степени еще не решен. Кэннон (Cannon. 1932) полагал, что это зависит от сокращений желудка и других периферических факторов. Однако после перерезки нервов, идущих от желудка, или удаления желудка по медицинским показаниям пищевое поведение человека почти не меняется. Согласно некоторым теориям, рецепторы в головном мозгу чувствительны к присутствию питательных веществ в крови. Такие вещества, как глюкоза, аминокислоты или жиры, могут служить показателями потребности в определенной пище. Уровень глюкозы в крови повышается во время переваривания, но он меняется и в других условиях, например при активации вегетативной нервной системы или в предвкушении еды. Высказывалось мнение (Mayer, 1967). что головной мозг реагирует скорее на недостаток глюкозы, чем на ее наличие (аналогичные механизмы см. Toates, 1980). Это предположение подтверждается недавно полученными данными, но они еще недостаточно убедительны.

Некоторые ученые сомневаются в том, что для возникновения чувства голода первостепенное значение имеет прямое слежение за уровнем питательных веществ в организме. Хотя способность животных реагировать на избыток или дефицит определенных компонентов пищи позволяет думать именно о прямом контроле и регуляции, возможны и другие механизмы. Животные, испытывающие недостаток какого-либо вещества, стремятся пробовать разнообразную пищу и быстро научаются выбирать то, что им нужно. Имеющиеся данные говорят, что такое научение основано на различении патологичсского и нормального состояния в целом, а не на ощущении определенного дефицита (Rozin, Kalat, 1971; Rozin, 1976a). Было показано (Richter, 1943, 1955), что крысы, которым предоставлен большой выбор очищенных питательных веществ, сами составляют из них хорошо сбалансированный рацион.

Откуда крыса знает, какую пищу выбрать в данное время? Несомненно, что за поступлением некоторых составных частей рациона - водой, натрием и, возможно, глюкозой - следят вкус и сенсорные процессы в мозгу, которые регистрируют присутствие каждого из этих веществ в крови. Наличие других компонентов пищи, в частности витаминов и минеральных солей, непосредственно контролировать нельзя. Животное учится тому, что ему есть, чтобы не заболеть. Как это происходит, будет рассмотрено в гл. 18. В отношении аминокислот и жиров положение остается неясным. Высказано предположение о прямом слежении за этими веществами и их гомеостатическом контроле (подробнее см. Booth, 1978), но соответствующих данных недостаточно.