Как способность людей переваривать молоко возникла из-за голода и болезней

Зарождение молочного животноводства в Европе произошло за тысячи лет до того, как большинство взрослых людей развили способность пить молоко без последствий для организма. Теперь исследователи думают, что знают почему толерантность к лактозе была достаточно благоприятной, чтобы влиять на эволюцию только во время случайных эпизодов голода и болезней, объясняя, почему потребовались тысячи лет, чтобы эта черта получила широкое распространение [1].

Теория, подкрепленная анализом тысяч глиняных чашек и сотен древних человеческих геномов, а также сложным моделированием, объясняет, как способность переваривать молоко стала настолько распространенной у современных европейцев, несмотря на то, что у ранних молочных фермеров ее почти не было. Эта способность, известная как персистенция лактазы, происходит от фермента, который расщепляет молочный сахар и обычно отключается после отлучения маленьких детей от груди [2].

Что такое персистенция лактазы

Персистенция лактазы — это продолжающаяся активность фермента лактазы во взрослом возрасте. Поскольку единственной функцией лактазы является переваривание лактозы в молоке, у большинства видов млекопитающих активность фермента резко снижается после отъема от груди. Однако в некоторых человеческих популяциях персистентность лактазы развилась как адаптация к потреблению молока и молочных продуктов, не являющихся человеческими.

У большинства людей во всем мире отсутствует лактаза, следовательно, они страдают от различной степени непереносимости лактозы во взрослом возрасте. Однако не все генетически не устойчивые к лактазе люди имеют заметную непереносимость лактозы, и не все люди с непереносимостью лактозы имеют генотип непереносимости лактазы.

Исследование, опубликованное в научном журнале Nature 27 июля 2022 года, является первой крупной попыткой количественно оценить силы, которые сформировали эту черту, говорит Шеван Уилкин, молекулярный археолог из Цюрихского университета, Швейцария. “Эволюция персистенции лактазы оказалась гораздо более сложной, чем мы когда-либо думали”.

Естественный отбор

Способность переваривать молоко развилась независимо у древних народов по всему миру. Исследователи сопоставили этот признак с вариантами генов, которые инструктируют клетки производить высокие уровни лактазы. Вариант, который несут большинство людей европейского происхождения, является одним из самых ярких примеров естественного отбора человеческого генома.

Тем не менее ученые изо всех сил пытались объяснить силы, лежащие в основе высокой распространенности персистенции лактазы в Европе. Многие предполагали, что изменение оказалось полезным только после того, как древние люди начали регулярно употреблять молочные продукты. Другая влиятельная теория утверждала, что первые коровы, козы и овцы, одомашненные около 10 000–12 000 лет назад, использовались в основном для получения мяса, а потребление молока последовало тысячелетия спустя.

Молоко и лактазная недостаточность

Но Ричард Эвершед, биогеохимик из Бристольского университета, Великобритания, который руководил последним исследованием, и его команда обнаружили остатки молочного жира на древних чашках, относящихся к заре одомашнивания животных. Между тем исследования древней геномики показали, что эти первые животноводы страдали непереносимостью лактозы, и что толерантность к молоку не стала обычным явлением в Европе до бронзового века, 5000–4000 лет назад.

Чтобы определить вероятные причины, лежащие в основе способности европейцев переваривать молоко, команда под руководством Эвершеда и двух коллег из Бристоля, химика Мелани Роффет-Салк и эпидемиолога Джорджа Дейви Смита, вместе с Марком Томасом, эволюционным генетиком из Университетского колледжа Лондона, сопоставили археологические и геномные данные. Затем они смоделировали, как различные факторы, такие как употребление молока и численность населения, объясняют рост персистенции лактазы, опираясь на геномы более 1700 древних евразийских народов.

Команда обнаружила небольшое совпадение между скачками в переносимости лактозы и повышенным потреблением молока, о чем свидетельствует наличие остатков молочного жира примерно в 13 000 чашках из более чем 550 археологических памятников по всей Европе. “Все предыдущие гипотезы о том, что было преимуществом естественного отбора в отношении стойкости лактазы, были привязаны к степени употребления молока”, — говорит Томас, из-за предполагаемой питательной ценности возможности употреблять молоко, не болея.

Другое объяснение переносимости лактозы

Отбросив эту идею, исследователи посмотрели, как толерантность к лактозе связана с употреблением молока у современных европейцев. В UK Biobank, хранилище данных о здоровье и геноме полумиллиона человек в Соединенном Королевстве, они обнаружили небольшую корреляцию между потреблением молока и толерантностью к лактозе: 92% участников с непереносимостью лактозы предпочитают свежее молоко другим альтернативам. И толерантность к лактозе не показала явных преимуществ для здоровья или фертильности, которые могли бы стимулировать естественный отбор.

Отличие лактозы от лактазы

Лактаза — это фермент из семейства β-галактозидаз, лактаза гидролизует гликозидные связи и принимает участие в гидролизе дисахарида лактозы. В результате гидролиза одной молекулы лактозы образуется молекула галактозы и глюкозы. У человека лактаза в основном экспрессируется в энтероцитах кишечника и располагается на плазматических мембранах дифференцированных энтероцитов тонкой кишки.
Лактоза — это углевод группы дисахаридов, содержится в молоке и молочных продуктах. Молекула лактозы состоит из остатков молекул глюкозы и галактозы.

Это говорит о том, что для большинства людей с непереносимостью лактозы затраты на питье молока сегодня не так высоки, говорит Томас, и, вероятно, не были такими высокими и в древние времена. «Если ты здоров, у тебя бывает диарея, вздутие. Это неприятно, но ты не умрешь».

Но исследователи предполагают, что последствия употребления молока среди людей с непереносимостью лактозы давным-давно были бы гораздо более серьезными для тех, кто был болен в результате голода или инфекции. Потеря жидкости из-за диареи приводит к смерти от недоедания и инфекций, особенно в местах с плохими санитарными условиями. Исследуемая модель показала, что персистенция лактазы с большей вероятностью наблюдалась у древних популяций, подвергшихся воздействию животных патогенов и голода, чем у тех, кто подвергался воздействию других исследованных факторов.

В результате был сделан вывод, что естественный отбор на толерантность к лактазе был ускорен в такие периоды, когда люди с непереносимостью лактозы имели бы больше шансов умереть, чем люди, у которых не было внезапно полезной вариации гена.

Эволюция персистенции лактазы

«Они правы? Я не знаю. Трудно сказать», — говорит Уилкин. Даже если бы люди не умирали от последствий непереносимости лактозы в трудные времена, это могло бы сделать их менее склонными к продолжению рода, чем у людей, которые могли переваривать молоко, что позволило бы лактозной стойкости процветать. Но она не уверена, что это полностью объясняет, почему эта черта отсутствует или очень редка у ранних земледельцев и некоторых молочных популяций бронзового века, которые, должно быть, подвергались воздействию голода и инфекций.

Кристина Вариннер, молекулярный археолог из Гарвардского университета в Кембридже, штат Массачусетс, говорит, что исследование подводит итоги и предоставляет доказательства картины, которая складывалась в течение последнего десятилетия. «Теперь у нас есть идея, с чего нам нужно начать поиски». Особое внимание следует уделить древним геномам человека и другим археологическим данным средневековья и железного века (3 000–1 000 лет назад), когда уровни толерантности к лактозе в Европе значительно возросли.

Уилкин надеется, что исследование также побудит учёных переоценить эволюцию персистенции лактазы за пределами Европы — например, в Африке, где она развивалась несколько раз, а также в Центральной Азии и на Ближнем Востоке. Исследователям также необходимо лучше понять, как молочные продукты и питье молока могут быть широко распространены в местах, где толерантность к лактозе никогда не была распространена, например, в монгольских степях. «Я очень надеюсь, что такое масштабное и действительно амбициозное исследование побудит людей начать это изучать», — говорит она.

Использованная литература

  1. Молочное животноводство, болезни и эволюция лактазной толерантности в Европе. DOI: 10.1038/s41586-022-05010-7
  2. Генетические признаки последнего значимого положительного отбора в гене лактазы DOI: 10.1086/421051

Читайте также: