2. Пищеварение: симбиотичeckoe переваривание целлюлозы

Наиболее важным структурным материалом растений является целлюлоза (клетчатка) —полимер глюкозы, который нераство­рим и чрезвычайно устойчив к химическим воздействиям. Фер­менты, расщепляющие целлюлозу — целлюлозы — в пищеваритель­ных соках позвоночных отсутствуют, и все же многие позвоночные переваривают целлюлозу, и она служит для них главным ис­точником энергии. Настоящие целлюлазы были найдены в кишеч­ном тракте некоторых беспозвоночных, питающихся древесиной и сходными растительными продуктами, но во многих случаях пе­реваривание целлюлозы осуществляют симбиотические микроорга­низмы, живущие в пищеварительном тракте своих хозяев.

ПЕРЕВАРИВАНИЕ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ У БЕСПОЗВОНОЧНЫХ. Вопрос о том, кто вырабатывает целлюлазу — само животное или симбиотическнй микроорганизм, — часто трудно решить с пол­ной определенностью. Проиллюстрируем эти трудности нескольки­ми примерами.

Чешуйница. Есть, однако, сообщения о настоящих целлюлазах, полученных из ряда животных в условиях, которые, по-види­мому, исключают какое бы то ни было участие симбиотических микроорганизмов. Чешуйница Ctenolepisma lineata переваривает целлюлозу и может выживать на рационе из одной лишь целлюлазы, хотя ее и недостаточно для длительного питания. Кишка этого насекомого содержит много микроорганизмов, но никаких переваривающих целлюлозу видов из нее выделено не было. Еще важнее то, что путем отмывания яиц в растворе хлористой ртути и этанола и выкармливания нимф на стерилизованных овсяных хлопьях и витаминах в асептических условиях были выращены особи, свободные от бактерий. Такие особи переваривали целлю­лозу, меченную ¹⁴С, и выдыхали ¹⁴СО₂. Наконец, целлюлаза бы­ла обнаружена в экстрактах средней кишки. Ввиду этого можно, видимо, считать установленным, что чешуйница действительно вы­рабатывает целлюлазу (Lasker, Giese, 1956).

Термиты. В случае термитов, питающихся почти исключитель­но древесиной, роль симбиотических бактерий несомненна. Ки­шечный тракт переваривающего древесину термита буквально на­бит различными жгутиковыми и бактериями. Некоторые виды жгутиковых были выделены и выращивались в чистой культуре, и это позволило тщательно изучить их роль в переваривании цел­люлозы.

Симбиотические жгутиковые, выделенные из термитов, являют­ся строгими анаэробами (т. е. они могут выживать только при отсутствии свободного кислорода). Эту чувствительность к кисло­роду можно использовать для удаления жгутиковых из организма животного-хозяина и получения термитов, свободных от простей­ших. Если термитов подвергать воздействию кислорода под дав­лением 3,5 атм, жгутиковые избирательно гибнут примерно за полчаса, а термиты выживают без всякого вреда для себя. Но такие «дефаунированные» термиты не могут вы­жить, если кормить их, как обычно, древесиной. При этом бакте­рии в их кишечниках все еще имеются, из чего можно заключить, что за переваривание целлюлозы ответственны не они, а симбион­ты-простейшие. Если термитам ввести соответствующих жгутико­вых, они снова начинают переваривать целлюлозу.

Гипотеза о том, что целлюлозу переваривают жгутиковые, по­лучила дальнейшее подтверждение при исследовании культур этих организмов. Одно из таких жгутиковых (Trichomonas termopsidis), которое выращивали в культуре в течение трех лет, послужило источником экстрактов, содержащих целлюлазу. Более того, это простейшее вообще не может исполь­зовать никаких углеродных соединений, кроме целлюлозы, так что нет никаких сомнений относительно его роли в переварива­нии целлюлозы термитами.

Хотя древесная целлюлоза и может дать значительное количе­ство энергии, древесина содержит очень мало азота. Поскольку термиты на этой пище процветают, было высказано предположе­ние, что в их кишечной флоре имеются азотфиксирующие бакте­рии, которые служат добавочным источником белка. Эта гипотеза казалась правдоподобной. Многие ранние попытки продемонстри­ровать фиксацию азота в общем азотном балансе термитов не увенчались успехом, но теперь ясно, что фикса­ция азота при участии микроорганизмов действительно имеет мес­то. Возможно, что фикса­ция азота даже более широко распространена у сверлящих дерево животных, чем предполагалось раньше. У некоторых видов кора­бельных червей (Teredo и других) фиксация азота связана с ки­шечными бактериями; эти бактерии были выделены и было пока­зано, что они способны фиксировать азот.

ПЕРЕВАРИВАНИЕ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ ПОЗВОНОЧНЫМИ. Многие млекопитающие растительноядны, и пищевой рацион большинства таких форм делает необходимым переваривание цел­люлозы. Жвачные животные, к которым относятся наши важнейщие поставщики мяса и молока (крупный рогатый скот, овцы, ко­зы), имеют специализированный пищеварительный тракт, в высо­кой степени приспособленный для симбиотического переваривания целлюлозы. Однако и многие нежвачные животные тоже нужда­ются для переваривания целлюлозы в микроорганизмах-симбион­тах, хотя их анатомические адаптации не таковы, как у настоя­щих жвачных.

Жвачные. Желудок жвачного состоит из нескольких отделов (рис.), или, если выражаться точнее, настоящему пищевари­тельному желудку предшествует несколько крупных камер, из ко­торых первая, самая большая, называется рубцом. Рубец служит бродильным чаном, в котором пища, смешанная со слюной, под­вергается интенсивной ферментации. В рубце содержатся в боль­ших количествах и бактерии, и простейшие. Эти микроорганизмы расщепляют целлюлозу и делают ее доступной для дальнейшего переваривания. Продукты брожения (главным образом уксусная,, пропионовая и масляная кислоты) всасываются и используются организмом; двуокись углерода и метан (СН₄) выводятся наружу путем отрыжки (через рот).

Жевание жвачки состоит в отрыгивании и повторном измель­чении непереваренного волокнистого материала, который потом заглатывается снова. Этот процесс и дал группе жвачных их наз­вание. При повторном поступлении в рубец пища подвергается дальнейшему брожению. Раздробленные частицы пищи постепен­но переходят в следующие отделы желудка, и в четвертом отделе (который соответствует пищеварительному желудку других млеко­питающих) они подвергаются действию обычных пищеварительных соков.

Продукты брожения из рубца — главный источник энергии. Было подсчитано, что органические кислоты, образующиеся в рубце, доставляют у крупного рогатого скота до 70% всей необходи­мой организму энергии. С другой стороны, метан безвозвратно теряется для жвачных, и эта потеря существенна. Корова, полу­чавшая ежедневно 5 кг сена, выделяла каждый день 191 л метана; этот метан заключал в себе более 10% всей энергии, содержав­шейся в суточном рационе.

П родукты брожения — это в основном органические кислоты с короткой цепью, и обильная слюна, выделяемая жвачными, ней­трализует эти продукты в рубце. Слюна жвачного мало чем отличается от простого разбавленного раствора бикарбоната натрия и служит одновременно буфе­ром и подходящей фермен­тационной средой для мик­роорганизмов.

Количество слюны, вы­деляемой жвачными, вну­шительно. По произведен­ным оценкам, суммарное выделение слюны за день у овец и коз составляет 6— 16 л, а у крупного рогатого скота 100—190 л. Поскольку овца или коза весит около 40 кг, а ко­рова — около 500 кг, еже­дневная выработка слюны может составлять примерно треть веса тела. А посколь­ку тело на две трети состо­ит из воды, можно считать, что около половины всей во­ды организма каждый день проходит через слюнные железы (и рубец).

Среди простейших, находящихся в рубце, имеются инфузории, внешне сходные со свободноживущими формами, такими, как па­рамеции. Количество их достигает нескольких сотен тысяч на ку­бический миллилитр содержимого рубца. Многие микроорганизмы из рубца культивировали в лаборатории, и экстракты из чистых культур проявляли целлюлазную активность. Эти инфузории — строгие анаэробы; они должны получать энергию за счет процессов брожения. Такие процессы доставляют относитель­но мало энергии самим микроорганизмам, но это означает, что продукты брожения сохраняют ценность для животного-хозяина, которое в свою очередь использует их в процессе окислительного метаболизма. Поскольку симбиотическое переваривание целлюло­зы— это единственный способ, который делает ее доступной для млекопитающих, относительно малые потери в пользу симбиотических микроорганизмов количественно несущественны; важно то, что эти организмы и в некоторых других отношениях способству­ют питанию хозяина.

Микроорганизмы рубца могут синтезировать белок из неорга­нических азотных соединений, таких, как соли аммония. Особенно важно то, что к пище жвачных можно до­бавлять мочевину (которая обычно является экскретом, выводи­мым с мочой) и таким образом увеличивать синтез белка. Это ис­пользуют в молочной промышленности: так как синтетическая мо­чевина недорога, добавлять ее в рацион молочных коров выгод­нее, чем использовать более дорогой корм, богатый белком.

Содержимое рубца коровы может весить до 100 кг, и из них около 2 кг составляет общий вес простейших, в которых в свою очередь содержится 150 г белка. Исходя из скорости размноже­ния этих простейших, можно вычислить, что каждый день в книж­ку (третий отдел желудка жвачных) переходит 69% их популя­ции и что это дает корове более 100 г белка в день.

Синтез белка микроорганизмами в рубце имеет особое значе­ние, когда животное получает низкокачественный корм. Было об­наружено, что верблюд, получающий почти лишенную белка пи­щу (плохое сено и финики), практически не выделяет с мочой мо­чевину. Образование мочевины в процессе обмена веществ продолжается, но вместо того, чтобы экскретироваться, этот «ненуж­ный» продукт возвращается в рубец — отчасти через стенки руб­ца, а отчасти со слюной. В рубце мочевина гидролизуется до СО₂ и аммиака, а последний используется для ресинтсза белка. Таким способом верблюд, получающий плохой корм, может повторно использовать значительную часть того малого количества белково­го азота, которое имеется в его распоряжении.

Аналогичное повторное использование азота мочевины живот­ными, в рационе которых мало белка, наблюдалось у овец; в определенных условиях и кролик (который не относится к жвачным) может в значительной мере использовать мочевину в своем азотном обмене.

Если к рациону жвачного добавлять неорганический сульфат, микробный синтез белка улучшается и, что особенно важно, сера сульфата включается в весьма важные аминокислоты — цистеин и метионин. Таким образом, микроорганизмы рубца вносят вклад как в синтез белка, так и в качество белка. Поскольку микрофлора рубца может синтезировать все незаменимые аминокислоты, жвачные в своем питании не зависят от их на­личия в корме и качество белка, который они получают извне, не имеет существенного значения.

Еще одно преимущество пищеварения жвачных с точки зрения питания — это то, что микроорганизмы синтезируют ряд важных витаминов, в том числе некоторые витамины группы В; в частно­сти, витамин B12 жвачные в естественных условиях получают только от микро­организмов.

Нежвачные животные. У многих нежвачных траво­ядных млекопитающих пе­ревариванию целлюлозы то­же содействуют микроорга­низмы. Целлюлозосодержащая пища обычно объемис­та, а брожение идет отно­сительно медленно и зани­мает много времени. Поэто­му для брожения требуется большое пространство, и тот отдел пищеварительно­го тракта, где оно происхо­дит, имеет большие разме­ры. У некоторых животных желудок велик и состоит из нескольких отделений, а пищеварение обнаруживает явные черты сходства с пи­щеварением жвачных. У других основное сбраживание целлюлозы осуществляется в крупном ответвлении от нижней части кишеч­ника — слепой кишке.

Многокамерные желудки имеются не только у некоторых не­жвачных копытных, но и у очень далеких от них животных, та­ких, как ленивец и обезьяна лангур. Даже среди сумчатых есть животные, у которых желудок сходен с рубцом. Одно из них — кенгуру куокка, величиной с зайца и весом от 2 до 5 кг. Его большой желудок, который дает приют микроорганизмам, участвующим в перевари­вании целлюлозы, может содержать почти 0,5 кг влажного материала. Для животного, весящего около 3 кг, это составляет 15% от веса тела — соотношение, сходное с тем, которое часто находят у жвачных.

Микробное брожение в слепой кишке в значительной мере сходно с брожением в рубце, но у рубца есть три преимущества перед слепой кишкой. Первое — это то, что рубец находится в передней части желудочно-кишечного тракта, так что продукты пи­щеварения могут проходить отсюда через длинный кишечник для дальнейшего переваривания и всасывания.

Второе преимущество — то, что механическое измельчение пи­щи может доводиться до высокой степени, так как грубые непе­реваренные частицы могут отрыгиваться обратно снова и снова. Результат хорошо виден при сравнении фекалий крупного рогато­го скота (жвачных) и лошадей (нежвачных). Фекалии лошадей содержат интактные грубые фрагменты пищи; фекалии коров — хорошо перетертая, однородная масса, содержащая мало крупных фрагментов.

Третье и, возможно, самое большое преимущество пищеваре­ния жвачных с микробным брожением в передней части желудоч­но-кишечного тракта — это возможность повторного использова­ния азота мочевины, который иначе был бы выброшен и потерян для организма. Как мы уже видели ранее, это важно для жвач­ных, получающих низкосортный корм. Подобные жвачным круп­ные сумчатые кенгуру и валлаби, у которых микробное брожение тоже происходит до поступления пищи в пищеварительный желу­док, используют такой же механизм. Когда в начале засушливого периода содержание азота в растениях снижается, валлаби начи­нает использовать мочевину повторно и продолжает делать это на протяжении всего долгого сухого периода, приобретая тем самым относительную независимость от качества имеющейся пищи.

Улучшение переваривания растительного материала с по­мощью брожения встречается не только у млекопитающих. На­пример, белая куропатка на полуострове Аляска в течение не­скольких зимних месяцев питается одними лишь ивовыми почка­ми и побегами. У большинства птиц семейства куриных имеются две слепые кишки для сбраживания целлюлозы. У белой куропат­ки продуктами брожения являются этанол и уксусная, пропионовая, масляная и молочная кислоты в различных соотношениях. Брожение в слепой кишке дает до 30% энергии основного обмена — величина весьма внушительная.

Копрофагия. Невыгода локализации сбраживания целлюлозы в заднем отделе кишечного тракта может быть скомпенсирована следующим интересным способом. У многих грызунов, а также у кроликов и зайцев из содержимого слепой кишки формируются фекалии особого рода, которые животное снова заглатывает, так что пища проходит через весь пищеварительный тракт второй раз. У них имеется два вида фекалий: хорошо известный обычный твердый помет, характерный для грызунов, и более мягкие и круп­ные светлые экскременты; последние животное не роняет, а пое­дает прямо из анального отверстия. В прямой кишке они лежат отдельно от обычного помета, и их повторное заглатывание позво­ляет более полно переваривать и утилизировать пищу.

К опрофагия (от греч. copros—кал и phagein — есть) обычна для грызунов и имеет огромное значение для их питания. Напри­мер, крысам при исключении копрофагии требуется добавочный пищевой источник витамина К и биотина. Кроме того, быстрее развивается и недостаточность других витаминов. Еще интереснее то, что даже при разнообразных добавках к рациону скорость роста крыс все же снижается примерно на 15—25%. Даже если предоставить крысам возможность поедать обычные крысиные фекалии, без есте­ственной копрофагии рост животных остается замед­ленным.

У кроликов исключение копрофагии ведет к снижению способности перевари­вать пищу, а также утили­зации белков н накопления азота. После возобновления копрофагии способность переваривать целлюлозу вновь возрастает.

Специальные мягкие фекалии, которые кролик повторно заглатывает, образу­ются в слепой кишке. Эти фекалии не разжевываются и не смешиваются в желуд­ке с другой пищей; они име­ют тенденцию располагаться отдельно в области дна желудка (рис.). Такие фекалии покрыты оболочкой и подвергаются в желудке брожению в течение многих часов; один из продуктов брожения — молочная кислота. Таким об­разом, область около дна желудка служит бродильной камерой, аналогичной рубцу овец и коров, и это создает животному значи­тельные преимущества с точки зрения питания.