В докладе рассматривается влияние общеизвестных физических закономерностей движения атомов и небольших молекул на возникновение и формирование механизмов трофического обеспечения пластических и энергетических процессов у многоклеточных организмов.

По современным представлениям в ходе эволюции многоклеточные возникали и возвращались к одноклеточному существованию многократно. Редкие, промежуточные между одноклеточными и многоклеточными, формы жизни наблюдаются и сейчас.

При появлении многоклеточных механизм дыхания каждой из клеток остался диффузионным, каким и был у одноклеточных. Механизм питания изменился и стал диффузионным, так как встроенные в единый организм клетки не могут поглощать себе подобных, как это происходит у одноклеточных.

Однако энергетическое и пластическое обеспечение каждой из клеток макроскопического организма за счет прямого диффузионного всасывания веществ из окружающей среды через его внешнюю оболочку, невозможно по двум причинам.

Во-первых, время диффузионной доставки вещества на некоторое расстояние R пропорционально квадрату этого расстояния. Поэтому можно утверждать, что существует летальный размер, при котором всё необходимое для питания и дыхания просто не поступит вовремя во внутренние клетки макроскопического многоклеточного организма.

Во-вторых, при увеличении числа клеток гипотетического многоклеточного организма площадь его внешней поверхности увеличивается медленнее, чем его же объем. Число клеток в составе многоклеточного, объективно характеризует его потребность в веществах (пластическом обеспечении) и энергии. Площадь поверхности определяет предельные возможности диффузионной доставки веществ. И так как требования растут быстрее, чем возможности, то неизбежно возникает несовместимый с жизнью дефицит.

Наибольшая часть многоклеточных животных оказалась жизнеспособной перейдя к другому типу питания. Не являясь автотрофами, они стали консументами, употребляющими в пищу сопоставимые с ними по размеру фрагменты других многоклеточных – растений и животных, вплоть до поглощения добычи целиком.

Эта адаптация произошла за счет синхронного формирования в теле первых многоклеточных животных системы деструкции поглощенной пищи до молекулярного уровня (пищеварения), а также структур с развитыми поверхностями, занимающими малый физический объем, но обеспечивающими достаточную площадь контакта для:

- газообмена между организмом и окружающей средой,

- всасывания расщепленной до молекулярного уровня пищи,

- транспортировки к каждой из клеток тела окислителя и молекул пищи.

Для человека это легко узнаваемые легкие с альвеолами, тонкий кишечник с множеством всасывающих ворсинок и система кровообращения с сетью активных артериол и венул, соединяемыми капиллярами. Все три системы имеют фрактальный характер. Легкие и сосудистая сеть имеют ветвящуюся древообразную структуру со сросшимися «кронами», где и происходит кислородообмен. Внутренняя поверхность тонкого кишечника имеет щеткообразную структуру. Через ворсинку белки и углеводы поступают из химуса в венозную сеть, а жиры – в лимфатическую.

Кажется, говорить дальше – это ломится в открытые ворота. Однако вопрос о структуре и транспортной функции кровообращения остается не закрытым.

Следуя давней традиции, в учебниках и анатомических атласах систему кровообращения рассматривают как два контура (круга), обеспечивающих кислородообмен. При этом практически не обсуждается или обсуждается мельком транспорт молекул пищи. Соответственно этому подходу кровь делят на артериальную и венозную, т.е. насыщенную и не насыщенную кислородом.

Если же индексировать кровь и по насыщенности молекулами пищи, то тогда круги кровообращения смотрятся существенно иначе. Потребитель переносимого молекулярного питания остается тот же – клетки организма, а источником становится тонкий кишечник.

При этом, если вход кислорода и выброс углекислого газа сосредоточены в легких, то переход из химуса углеводов и белков в кровь, а жиров в лимфу происходит в тонком кишечнике. Это может быть отсчетной точкой для циркуляции углеводов, белков и жиров в организме. И начинается эта циркуляция не через артериальный сосуд, а через воротную вену. В выбросе же отработанных продуктов всегда участвуют несколько систем. Прежде всего, это печень, почки и толстый кишечник. При больших физических нагрузках в выбросе участвует кожа, а в патологических случаях и легкие.

Геометрическая структура вложения капиллярной сети в легких и в тонком кишечнике представляется вполне понятной – сросшиеся «кроны деревьев». С вложением же капиллярной сети в континуум тканей – мышечной, печени и почек - такой ясности нет.

В капиллярах всасывание молекул происходит довольно быстро. Поэтому и концентрация молекул быстро падает от входа к выходу капилляра, что ограничивает эффективную длину транспорта. Автору не удалось нигде найти сведений, как это вложение устроено геометрически. Однако из ограничений на эффективную длину капилляров создается впечатление, что оно представляет собой вложение совокупности слоев с толщиной равной длине цилиндра Крога.

При предложенном взгляде возникает не только задача о геометрическом вложении ветвящейся сосудистой сети в континуум тканей, но и задача стехиометрических балансов потоков кислорода, белков и жиров, а также выноса в окружающее пространство потоков тепла, выделяемого при физической работе и химических реакциях, обеспечивающих функционирование организма.



Автор благодарит А.К. Лабуцкого за поддержку и плодотворные обсуждения.



Работа профинансирована Министерством науки и высшего образования РФ в рамках государственного задания ИПФ РАН, проект № FFUF-2021-0014

The report considers the impact of well-known physical laws of motion of atoms and small molecules on the emergence and formation of mechanisms for the trophic supply of plastic and energy processes in multicellular organisms.

According to modern views, multicellular organisms have arisen and returned to single-celled existence multiple times during evolution. Rare, intermediate forms of life between single-celled and multicellular are observed even now.

Upon the emergence of multicellular organisms, the breathing mechanism of each cell remained diffusive, just as it was in single-celled organisms. The feeding mechanism changed and became diffusive, as the cells incorporated into a single organism cannot consume similar cells, as occurs in single-celled organisms.

However, the energy and plastic supply of each cell of a macroscopic organism, due to direct diffusion absorption of substances from the surrounding environment through its external shell, is not possible for two reasons.

Firstly, the time of substance diffusion delivery to a certain distance R is proportional to the square of that distance. So it can be stated that there is a lethal size at which all necessary for nutrition and respiration simply will not arrive in time in the internal cells of a macroscopic multicellular organism.

Secondly, as the number of cells in a hypothetical multicellular organism increases, the area of its outer surface increases more slowly than its volume. The number of cells in a multicellular organism objectively characterizes its need for substances (plastic supply) and energy. The surface area determines the maximum possible diffusion delivery of substances. And since the requirements grow faster than the possibilities, an incompatible with life deficit inevitably arises.

Most multicellular animals became viable by switching to a different type of nutrition. Not being autotrophs, they became consumers, consuming comparable in size fragments of other multicellular organisms – plants and animals, to the point of consuming prey whole. This adaptation occurred due to the synchronous formation in the body of the first multicellular animals of a system for the destruction of ingested food to the molecular level (digestion), as well as structures with developed surfaces that occupy a small physical volume but provide sufficient contact area for:

- gas exchange between the organism and the environment,

- absorption of food broken down to the molecular level,

- transportation to each cell of the body of oxidant and food molecules.

For humans, these are easily recognizable light organs with alveoli, a delicate intestine with numerous absorbing villi and a circulatory system with a network of active arteries and veins connected by capillaries. All three systems have a fractal character. The lungs and the vascular network have a branching tree-like structure with merging "crowns", where oxygen exchange occurs. The inner surface of the thin intestine has a brush-like structure. Through the villi, proteins and carbohydrates enter the venous network, and fats into the lymphatic.

It seems that speaking further is like to knock at an open door. Nevertheless, the question about the structure and transport function of the circulatory system remains unanswered. Following an old tradition, in textbooks and anatomical atlases, the circulatory system is considered as two loops (circles) providing oxygen exchange. Meanwhile, the transport of food molecules is almost not discussed or discussed briefly. Accordingly, blood is marked as arterial and venous, i.e. oxygen-rich and oxygen-deprived.

If we index the blood and the molecule saturation of food, then the blood circulation looks significantly different. The consumer of transportable molecular nutrition remains the same - the cells of the organism, and the source becomes the small intestine.

Meanwhile, if the oxygen input and carbon dioxide emission are concentrated in the lungs, then the transition from chyme of carbohydrates and proteins to blood, and fats to lymph, occurs in the small intestine. This can be a starting point for the circulation of carbohydrates, proteins, and fats in the organism. And this circulation begins not through the arterial vessel, but through the portal vein. In the discharge of processed products, several systems are always involved. First of all, this is the liver, kidneys, and large intestine. In the case of heavy physical exertion, the skin is involved in the discharge, and in pathological cases, the lungs.

The geometric structure of the capillary network in the lungs and small intestine is well understood, with merged "tree crowns". However, the embedding of the capillary network in the continuum of tissues such as muscle, liver, and kidney is not as clear.

Molecule absorption in capillaries occurs quite quickly, causing the concentration of molecules to drop rapidly from the entrance to the exit of the capillary, limiting the effective length of transport. The author was unable to find any information on how this embedding is structured geometrically. However, the constraints on the effective length of capillaries suggest that it represents an embedding of layers with a thickness equal to the length of a Krogh’s cylinder.

With the proposed view, there arises not only a problem of the geometric embedding of a branching vascular network into the continuum of tissues, but also a problem of the stoichiometric balances of oxygen, protein, and fat flows, as well as the removal of heat flows generated by physical work and chemical reactions that sustain the functioning of the organism, into the surrounding space.



The author thanks A.K. Labutsky for support and productive discussions.



The study has been supported in the frames of the Governmental Project of the Institute of Applied Physics RAS (Project#FFUF-2021-0014)



The text translated from Russian to English using https://chat.openai.com