Глава вторая Биология пука

Как еда превращается в пук?

Все начинается в этом огромном шаре, наполненном раскаленной хаотичной плазмой, который мы называем Солнцем, в желтой карликовой звезде, в 330 000 раз превосходящей Землю по массе, состоящей в основном из водорода (73 %) и гелия (25 %) и возрастом порядка 4,6 миллиарда лет. Солнце создает энергию за счет термоядерного синтеза: ядра водорода сливаются, превращаясь в гелий, и одним из продуктов этой реакции становится свет. Солнце излучает фотоны света в виде электромагнитных волн, лишь крошечная часть которых достигает Земли, однако такое количество солнечного света идеально для поддержания нашей экосистемы.

Ядерный синтез

Достигнув Земли, некоторые из фотонов солнечного света приземляются на растения, содержащие пигмент хлорофилл, запуская тем самым волшебный[5] процесс фотосинтеза, обеспечивающий практически всю энергию, используемую живыми существами на нашей планете. Фотосинтез – воистину удивительный механизм: с помощью солнечного света, воды и углекислого газа создается химическая энергия, сохраняющаяся в виде молекул углевода в растениях, часть из которых мы можем употреблять в пищу. В качестве побочного продукта такой реакции образуется кислород. Именно этим кислородом мы с вами и дышим прямо сейчас.

Подробнее про фотосинтез

6CO₂ + 6H₂O ? C₂H₁₂O₆ + 6O₂

Давайте разберемся более детально. Эта реакция проста на бумаге: растение улавливает свет и использует его, чтобы соединить вместе шесть молекул углекислого газа (CO₂) и шесть молекул воды (H₂O) в молекулу глюкозы C₂H₁₂O₆. На деле же данный процесс состоит из нескольких шагов. Сначала окрашенная молекула, улавливающая свет – молекула хлорофилла, – поглощает фотон света, и один из ее электронов получает столько энергии, что оказывается в состоянии отделить воду – что-то вроде электролиза. Так запускается каскад химических реакций, в ходе которых электрон переходит от одной молекулы к другой, чтобы забрать у них эту энергию и сохранить ее в молекулах под названием аденозинтрифосфорная кислота (АТФ), которая используется всеми живыми организмами для обмена веществ. Эти молекулы АТФ затем применяются во втором каскаде реакций, в результате которых CO₂ преобразуется в глюкозу, сахар жизни.

Известно, что в любой момент времени мощность поглощаемой по всей планете энергии в результате фотосинтеза составляет 130 тераватт. Сложно представить, как это много, однако данная величина составляет лишь 0,1 % от всей солнечной энергии, достигающей Земли (а также в три раза превышает суммарное энергопотребление человечества).

Обычно фотосинтез происходит незаметно для человеческого глаза, и вам просто придется поверить мне на слово, однако если вам все же хочется посмотреть этот процесс в действии, то можно провести потрясающий эксперимент, который сделает его видимым. Купите какое-нибудь водное растение семейства водокрасовых – лучше всего для этой цели подходит Элодея канадская (Elodea canadensis). Обрежьте на сантиметр верхнюю часть растения острыми ножницами, поместите его в воду так, чтобы оно полностью оказалось под ней (для этого достаточно прицепить к нему зажим для бумаг). Теперь посветите на него фонарем. Вскоре вы увидите, как из воды появляются мелкие пузырьки. Это вырабатывается кислород. Знаю, знаю! Я записал это на видео, так что загляните на YouTube-канал GastronautTV.

Что является, а что не является едой?

Вы, возможно, удивитесь, однако все, что может поместиться в вашем пищеварительном тракте, строго говоря, съедобно, будь то хлеб, древесина, трава, жвачка или куски железного лома. Если вы не можете получить из чего-то питательных веществ, как в случае с железным ломом и жвачкой, то это называют нерастворимой клетчаткой (полезна для проталкивания пищи по кишечнику), а если вы не можете переварить что-то в своем тонком кишечнике, однако толстый кишечник в состоянии это расщепить (как в случае с древесиной и травой), то это называют растворимой клетчаткой. Все остальное считается питательными веществами и, как правило, в процессе пищеварения приносит ту или иную пользу.

Как устроен пищеварительный процесс?

Итак, вы раздобыли чудную съедобную пищу, возможно, даже сами ее приготовили. Теперь пришла пора ее переварить. В среднем на переваривание пищи вашему организму требуются целых 50 часов у взрослых (33 часа у детей), из которых 40 часов приходится на толстый кишечник. И тут начинается самое веселое…

Первый этап пищеварения: пережевывание – механическое расщепление пищи

Ваши коренные зубы создают значительное усилие вплоть до 120 кг, когда вы впиваетесь ими в еду, и можно вас простить, если вы считаете процесс механической обработки пищи со всем этим сдавливанием, перемалыванием и расплющиванием самой важной частью пищеварительного процесса, однако вы не правы. На самом деле вы лишь увеличиваете площадь поверхности пищи, чтобы облегчить задачу для остальных этапов пищеварения. С другой стороны, самой яркой и приятной частью употребления пищи являются эти ощущения у вас во рту, а не получение из еды питательных веществ. Пережевывая пищу, мы наслаждаемся запахом и вкусом молекул, которые их создают, взаимодействуя с нашими хеморецепторами, а также наслаждаемся текстурой пищи, активирующей наши механорецепторы. Мы ощущаем температуру еды с помощью терморецепторов и даже улавливаем звук еды (особенно хруст) с помощью слуховых рецепторов (на самом деле восприятие звука – это сверхчувствительное осязание). Только вот все эти характеристики еды не несут в себе никакой питательной ценности – они лишь способствуют тому, чтобы мы выбирали пищу, несущую в себе максимальное количество энергии. Любопытно, что во время еды наша нервная система посылает сигнал толстому кишечнику, вызывая желание воспользоваться туалетом, что довольно странно, так как пища, которую мы едим, еще не скоро доберется до прямой кишки. Что ж, по крайней мере, кишка предупреждена, что в ближайшее время ей придется поработать.

Второй этап пищеварения: слюна – ферментативное расщепление

Ежедневно вы вырабатываете порядка двух литров слюны, состоящей на 94–99,5 % из воды и фермента под названием амилаза, который начинает процесс расщепления пищи на отдельные составляющие (слюна также содержит в небольшом количестве кальций, фтор, магний, натрий, мочевую кислоту, белки, пероксидазу и бактерии).

ПОПРОБУЙТЕ ПРОВЕСТИ СЛЕДУЮЩИЙ ЭКСПЕРИМЕНТ:

Смешайте заварной крем быстрого приготовления и разделите его на два стакана. Плюньте четыре-пять раз в один из стаканов (обычно я прошу плюнуть в него нескольких людей, что они находят на удивление отвратительным) и перемешайте все это чайной ложкой, после чего вылейте содержимое обоих стаканов на разделочную доску под наклоном. Заварной крем, смешанный со слюной, будет очень жидким, в то время как крем из второго стакана по-прежнему останется вязким и густым. Слюна расщепляет сложные сахара в креме, делая его очень водянистым, причем эта реакция происходит весьма быстро.

Третий этап пищеварения: проглатывание пищи через пищевод

Примерно пятьдесят пар мышц задействованы в сложном процессе подготовки и проглатывания вашей еды. Когда пища проходит в заднюю часть ротовой полости, запускается глотательный рефлекс, который пропихивает ее в горло, одновременно с этим автоматически перекрывая вашу гортань и останавливая дыхание, чтобы еда не попала в трахею. Затем, благодаря череде мышечных сокращений, именуемых перистальтикой, пища проталкивается вниз по пищеводу, пока не достигает нижнего пищеводного сфинктера, немного напоминающего кошачью задницу (главным образом потому что в каком-то смысле это… одно и то же). Это клапан, который пропускает пищу в желудок, при этом не выпуская из него желудочные соки, – если только вас не начнет рвать. Также он открывается, чтобы выпустить отрыжку.

Четвертый этап пищеварения: желудок – кислота и ферменты

Этот мускулистый орган расположен в организме слева и представляет собой небольшой мешочек размером 75 мм – с кулачок, – когда пуст, однако он способен увеличиваться в объеме до 1 л при нормальной работе и до 2 л в случае необходимости. Как только пища попадает в желудок, его внутренние стенки начинают выделять желудочный сок, включающий в себя пищеварительные ферменты под названием протеазы, предназначенные для расщепления белков. Кроме того, здесь вырабатывается желудочная кислота, включающая изрядное количество соляной кислоты, которая убивает бактерии, разрушает белки и, по сути, повторно готовит вашу пищу. Когда у вас случается рвота, то кислый вкус во рту является приятным послевкусием желудочных соков. Желудок встряхивает все свое содержимое, чтобы тщательно перемешать ферменты и кислоты с пищей. Еда проводит в желудке от 15 минут до 4 часов. Чем больше жира вы съедите, тем больше времени пища проведет в желудке, чтобы организм успел выработать необходимую для переваривания жира желчь. Сам желудок питательные вещества не усваивает (это происходит главным образом на следующем этапе пищеварительного процесса), за исключением некоторых лекарств, аминокислот, спиртов и кофеина.

Забавно, что в желудке также имеются вкусовые рецепторы, способные посылать сигналы удовольствия мозгу, когда взаимодействуют с глутаматами, сахарами, углеводами, белками и жирами.

С помощью все той же перистальтики желудок постепенно проталкивает смешанную с желудочными соками пищу (которую гастроэнтерологи теперь называют химус) на следующий этап путешествия через привратник желудка – еще один особый сфинктер – в первый участок тонкого кишечника, именуемый двенадцатиперстной кишкой.

Пятый этап пищеварения: тонкий кишечник

Тонкий кишечник очень длинный, но при этом очень тонкий. Именно здесь усваивается большая часть питательных веществ из нашей еды, и для этого в нее нужно добавить много разных веществ. Желчь вырабатывается в печени и добавляется посредством желчного пузыря для расщепления жиров. Панкреатический сок, содержащий множество ферментов, добавляется через проток поджелудочной железы. Любопытно, что он обладает ярко выраженными щелочными свойствами и содержит много бикарбонатных ионов, нейтрализующих кислоту из желудочного сока и создающих нужный уровень кислотности для правильной работы ферментов. Кроме того, он добавляет немного шипучести: в результате кислотно-основной реакции образуется углекислый газ.

На преодоление тонкого кишечника у пищи, как правило, уходит 6–8 часов. Она продавливается через него червеобразными мышечными сокращениями – все той же перистальтикой. Длина тонкого кишечника в среднем составляет 3–5 м, однако может равняться как 2,75 м, так и доходить до 10,4 м. Его внутренняя поверхность напоминает бархат – короткий мех, образованный микроскопическими ворсинками и микроворсинками, которые обеспечивают большую площадь поверхности в 30 м? для всасывания питательных веществ.

Молекулы, из которых состоит ваша пища, расщепляются на более маленькие, более полезные части, такие как витамины и минералы, сахара (из углеводов), аминокислоты и пептиды (из белков), а также жирные кислоты (из жиров). Все эти составляющие элементы проходят через стенки кишечника, попадая в примыкающие к ним кровеносные сосуды. Все, что остается, проходит через очередной клапан под названием баугиниева заслонка, который не пускает каловые массы из толстого кишечника обратно в тонкий.

Шестой этап пищеварения: толстый кишечник

Длина толстого кишечника составляет 1,5 м. Он гораздо короче тонкого, однако гораздо шире него, отсюда и название. Здесь пищеварительный процесс замедляется, предоставляя бактериям время, чтобы они могли сотворить свои чудеса. Все, что не попало в кровь в тонком кишечнике, попадает сюда для дальнейшего расщепления, использования организмом или вывода из него.

По форме толстый кишечник напоминает незаконченный квадрат и начинается с восходящей ободочной кишки, поднимающейся вверх в правой части тела, продолжается расположенной к ней под прямым углом поперечной ободочной кишкой, проходящей справа налево над пупком, после чего снова поворачивает на 90 градусов, переходя в нисходящую ободочную кишку слева. Затем кишка немного поворачивает назад к середине, после чего спускается вниз к приемной камере под названием прямая кишка, которая заканчивается анусом.

Именно в толстом кишечнике и происходит вся магия газообразования, а также ряд других процессов, включая уплотнение и обезвоживание. В вашем кишечнике живет порядка ста триллионов микробов общим весом около 200 граммов, среди которых более 700 видов бактерий, а также других микроорганизмов, таких как грибы и простейшие. Они обитают и размножаются в нашем толстом кишечнике, перемешиваясь с химусом и слизью для преобразования химуса в кал. Здесь питательные вещества практически не усваиваются, однако наш организм получает воду, а также созданные нашими бактериями витамины: тиамин и рибофлавин. Бактерии также расщепляют клетчатку, создавая топливо для самих себя, и создают короткоцепочечные жирные кислоты. Для нас важно, что здесь происходит бактериальное расщепление растворимой клетчатки (состоящей главным образом из неусвояемых углеводов), в ходе которого и образуются газы.

Седьмой этап пищеварения: прямая кишка

Конечный участок толстого кишечника составляет примерно 12 см в длину и выступает в роли приемной камеры для газов и кала. Получая кал из толстого кишечника, она расширяется, и давление, оказываемое на рецепторы растяжения, вызывает у вас желание посетить уборную. Когда прямая кишка переполнена, возникающее давление раздвигает стенки заднего прохода, в который проникает кал. Прямая кишка сокращается, и кал выталкивается из тела последними волнами перистальтики.

Восьмой этап пищеварения: анус

Уже почти все. Заднепроходный канал составляет порядка 2,5–4 см в длину, направлен вниз и немного назад, подводя нас к анальному отверстию, контролируемому двумя кольцевыми мышцами, именуемыми внутренним сфинктером (которым вы никак не управляете) и внешним сфинктером (который вы можете контролировать).

Девятый этап пищеварения: а теперь помойте руки!