Как еда путешествует по организму от тарелки до микробиома

Люди любят обсуждать диеты. Но порой переходят к таким тонкостям, как наличие или отсутствие в продуктах витаминов и редких минеральных веществ, не зная основ — как организм извлекает из пищи то, что ему нужно в первую очередь: белки, жиры и углеводы. Восполняем этот пробел на примере с бургером.

Прелюдия. Все начинается с голода

Наш центр голода находится в латеральном или боковом ядре гипоталамуса. Гипоталамус — небольшая область в промежуточном мозге, его главное назначение — анализ состояния органов нашего тела. В частности, гипоталамус отслеживает температуру и химический состав крови. 

Нервные клетки гипоталамуса реагируют на концентрацию глюкозы и инсулина в крови — в организме здорового человека она должна составлять примерно 0,1%. Постоянное наличие глюкозы в крови критически важно для нейронов — они питаются ей и (почти) не умеют ее запасать. Но зато это умеют делать печень и мышцы, в клетках которых содержится около 600 г гликокена — вещества, чьи длинные молекулы склеены из маленьких молекул глюкозы. Когда концентрация глюкозы падает — поджелудочная железа сигнализирует об этом, выделяя гормон глюкагон, а он сообщает печени, что пора расставаться с запасами.

Пустой, давно не работавший желудок тоже сообщает мозгу о том, что мы голодны. Он делает это двумя способами: расположенные в его стенках нервные волокна отправляют сигнал в гипоталамус и выделяют гормон грелин, сигнализирующий о запуске пищевого поведения. 

Третий поток сигналов о голоде, самый очевидный для нас, поступает от вкусовой системы. Несмотря на то, что от первых позывов до того момента, когда мы по-настоящему проголодаемся, может пройти довольно продолжительное время — мы часто принимаем первый сигнал за страшный голод, потому что еда не только насыщает нас энергией, но и воздействует на центры удовольствия.

Когда мы находимся в заведении, где жарят мясо, плывущие по воздуху со стороны гриля молекулы попадают к нам в дыхательные пути. А информация о запахе жареного мяса хранится у нас в лимбической системе и обещает нам очень ценное сочетание карамелизированного на огне сахара и крахмала с жирами и белками. Эксперименты с другими животными — например, человекообразными обезьянами — показали, что они довольно быстро переключаются на обжаренную пищу, если ученые предоставляют им такую возможность.

Откусываем, пережевываем, глотаем 

Итак, бургер заказан, приготовлен и подан. Мы делаем первый укус и начинаем жевать. Жевание — это единственное сознательное действие во всем пищеварительном процессе, который в среднем длится около суток. 

Жевать нам помогают органы, каждый из которых — чемпион в своей лиге. Мускулатура челюсти — наша самая сильная мышца, язык — самая подвижная группа мышц, а зубная эмаль — самый твердый и прочный материал, синтезируемый человеческим организмом. Зубы при помощи языка перетирают мясо и хлеб, смешивая их со слюной и пищевым соком (его тоже синтезируют слюнные железы). 

Главная цель всего пищеварительного процесса — насытить организм питательными веществами. Для этого нужно, чтобы белки, жиры и углеводы всосались в кровь, и их надо разбить на простые составляющие.

Уже во время жевания во рту происходит первичная обработка углеводов — этому способствует фермент амилаза, присутствующий в составе слюны и способный разделять сложные сахара на простые. Присутствующие в слюне антибактериальные вещества лизоцимы обезвреживают особенно агрессивные формы жизни. Пережеванную еду язык направляет в сторону неба и запускается программа глотания. Когда пищевой комок попадает на корень языка — остановить глотательный рефлекс уже невозможно.

Мягкое небо и мышцы-сжиматели глотки перекрывают сообщение с носовой полостью и перемещают пищевой комок в глотку. В процессе глотания голосовые связки теряют способность «говорить» и смыкаются. По пищеводу уже значительно изменившийся бургер движется около 10-15 секунд.

Любопытная деталь насчет пищевода: он входит в желудок не прямо, а огибает его с правой стороны. Это, как пишет автор книги «Очаровательный кишечник» Джулия Эндерс, обосновано тем, что при каждом нашем шаге мы невольно напрягаем стенки брюшной полости и давление на нее становится в два раза сильнее. При смехе и кашле давление повышается в 4 раза. И прямое впадение пищевода в желудок могло бы обернуться тем, что каждый наш шаг сопровождался бы отрыжкой, а смех и кашель — приступами рвоты. За счет смещенного вбок входа это давление получается уменьшить. 

Желудок — важный, но не главный

В ожидании поступления еды желудок расслабляется, благодаря чему приобретает способность растягиваться и принимать всю пищу, которая в него поступает. Желудок взрослого человека способен растягиваться до 4 литров. Многие думают, что желудок и есть главный орган пищеварения, но это не совсем так. Желудок очень важен, потому что в нем происходит подготовка еды к попаданию в кишечник — в частности, первичная обработка белка.

Как только первая порция бургера поступает в желудок, его стенки начинают активно сокращаться и расслабляться, сначала формируя пищевой комок, а потом перебрасывая его от одной стенки к другой. Звуки от этого перебрасывания можно услышать, если прижать ухо к месту, где сходятся правая и левая реберные дуги. Из-за ритмических сокращений желудок начинает активно раскачиваться — импульс передается в кишечный тракт и то, что находилось в кишечнике, продвигается дальше (поэтому часто после плотного обеда хочется сразу сходить в туалет).

Одна из основных функций желудка — денатурация белка, то есть изменение структуры его молекул. Для того, чтобы денатурировать белок, разные группы клеток, расположенные в стенках желудка, вырабатывают и выделяют специальные вещества, сумма которых называется желудочным соком. Понять, что такое денатурация, проще всего на примере яйца, съеденного сырым. Попадая в желудок и подвергаясь воздействию соляной кислоты, белок яйца становится белым, а желток бледнеет.

Каждый белок состоит из 20 аминокислот, которые соединяются между собой в сотнях и тысячах сочетаний. Пищеварительная система человека дробит эти связи — разбивая пищевые белки на аминокислоты, чтобы потом организм мог построить из них что-то актуальное: в первую очередь, собственные белки. На углеводы и жиры желудочные соки никак не действуют — здесь происходит только механическое дробление, которое облегчает работу главного органа пищеварения — тонкого кишечника.

Когда крошки, сформированные из пищевого комка, становятся настолько маленькими, что перестают долетать до противоположной стенки желудка — они сползают вниз и попадают в небольшое отверстие, где находится запирательный механизм — гастродуоденальный сфинктер, отделяющий кислую среду желудка от щелочной среды двенадцатиперстной кишки и пропускающий дальше маленькие порции пищи. Углеводы покидают желудок гораздо быстрее, чем белки — если на обработку хлеба требуется около двух часов, то на котлету — шесть.

Тонкий кишечник — самый большой и самый важный

Пища, которая попадает в тонкий кишечник — это густая жидкость, насыщенная питательными веществами. Желудок не умеет транспортировать их в кровь — его стенки всасывают только воду и спирты (поэтому мы пьянеем быстрее, чем насыщаемся). На каждом квадратном миллиметре слизистой тонкого кишечника расположено около 30 мельчайших ворсинок, практически не видных глазу. Если расправить все складки, ворсинки и ворсинки на ворсинках, тонкий кишечник имел бы длину 7 км.

Когда еда поступает в тонкий кишечник — в работу включаются вспомогательные органы пищеварительной системы: поджелудочная железа, печень и желчный пузырь. Поджелудочная железа выделяет три основных пищеварительных фермента: трипсин для расщепления белков, липазу для расщепления жиров и амилазу для углеводов. Также в поджелудочной железе вырабатывается щелочной сок, помогающий работе этих ферментов. Когда кислота из желудка и щелочь соединяются — они нейтрализуются с выделением тепла. Поэтому через какое-то время после того, как мы поедим — нам становится тепло. 

Примерно в течение 5 часов ворсинки кишечника терзают бургер во всех направлениях и постепенно продвигают его дальше — по направлению к толстому кишечнику. Относительно большие компоненты белков, жиров и углеводов размельчаются до элементарных и всасываются кровеносными сосудами тонкого кишечника. Те доставляют питательные вещества в печень, где все доставленное проверяется на наличие токсинов. От печени кровь, насыщенная питательными веществами, направляется к сердцу, а оттуда — ко всем остальным клеткам.

Из всего, что мы едим, жиры (липиды) имеют наибольшую энергетическую ценность. При расщеплении 1 г жира выделяется в два раза больше энергии, по сравнению с белками и углеводами. Кроме этого, липиды нужны организму для формирования оболочек нервных волокон; жировую природу имеют некоторые важные гормоны, а в состав мембран наших клеток входят жировые молекулы. 

В тонком кишечнике липиды обрабатываются с помощью желчи, которая выделяется печенью в процессе фильтрации крови и скапливается в желчном пузыре. Когда в кишечнике появляются жиры, желчь поступает туда и эмульгирует их — то есть дробит большие капли на тысячи маленьких, облегчая работу ферментам. Желчь также стимулирует перистальтику кишечника. Отсутствие жира в кишечнике может спровоцировать застой желчи в желчном пузыре и как следствие — образование камней. 

Клетчатка или целлюлоза —  это то, из чего состоят стенки клеток растений. В нашем случае это лист салата, кожица помидора, соленого огурца и перца халапеньо. В организме нет ферментов, чтобы переваривать клетчатку — она проходит через весь ЖКТ практически неповрежденной, и в этом ее главная ценность. Клетчатка давит на внутренние стенки кишечника, они сокращаются в ответ, и чем больше клетчатки мы потребляем — тем счастливее наш кишечник. Из тонкого кишечника она попадает в толстый кишечник, где становится пищей для миллиардов живущих там бактерий. 

Толстый кишечник — дом для двух килограммов бактерий

Все, что попадает в толстый кишечник в непереваренном виде — достается бактериям, которых тут примерно 10 000 видов. И у каждого из них большая популяция. Общий вес живущих в толстом кишечнике бактерий — около 2 кг, а количество микроорганизмов, живущих в толстом кишечнике, превышает количество всех клеток человека (просто клетки обычно больше в размерах, чем бактерия). От того, что было бургером, до этого этапа добирается только клетчатка и жидкость с остатками питательных веществ. За сутки в толстую кишку поступает 2-3 литра пищи, а выводится 150-200 г кала.

Вообще, толстый кишечник — это гладкая трубка. Но на картинках он похож на жемчужное ожерелье. В процессе перемешивания пищи он образует ямки, чтобы задержать пищевые комки и замирает. Потом расслабляется — комки проходят дальше, и кишечник замирает снова. 

Для полной переработки и выведения остатков бургера пищеварительной системе нужны примерно сутки. Быстрые кишечники справляются за 8 часов. Медленным может понадобиться трое суток, что тоже считается вариантом нормы.