English Deutsch
Новости
Мир антропологии

О генах и солнце, рыбе и лишайниках, коровах и оленях

Предлагаемая публикация – журнальная версия выступления А.И.Козлова на 4 заседании клуба «Антропогенез.Ру». Материалы, положенные в её основу, получены в ходе проекта, поддержанного грантом РФФИ 10-04-96005-р-урал-а.

Статья удостоена премии конкурса научно-популярных публикаций Российского фонда фундаментальных исследований2011 г., будет напечатана в журнале «Природа» в середине 2012 года. 

Вообще-то, речь пойдёт только об одном: особенностях обмена кальция в организме человека. Но без упоминаний о «всяческих вещах», перечисленных в названии, нам не обойтись.

Нормальное развитие костной системы требует достаточного поступления кальция и его усвоения в необходимых количествах. Это два разных процесса: поступление вещества обусловлено составом пищи, усвоение – особенностями метаболизма. Для усвоения кальция требуется вещество, традиционно обозначаемое как витамин Д. Называют его так неправильно. Витамины – вещества, которые организм представителей данного биологического вида не может синтезировать сам, но и жить без них не способен, поскольку они служат катализаторами биохимических процессов. Хороший пример – аскорбиновая кислота: для неспособных к её синтезу приматов (включая и нас, H.sapiens) это витамин С, но для остальных млекопитающих она не витамин, поскольку организм любого волка, тюленя или мыши способен вырабатывать нужное количество необходимой нам «аскорбинки».

С витамином D сложнее. Его источником является пища (и в этом отношении он – вполне добропорядочный витамин), но помимо этого при определённых условиях наш организм может это вещество синтезировать. Этот эндогенный продукт, строго говоря, витамином считать нельзя: он ближе к гормонам, и современные исследователи предпочитают вести речь о целом витамин-D-эндокринном комплексе. Но для краткости я дальше буду говорить об «экзо- и эндогенном витамине D», поскольку нам важна именно эта специфика.

Выделен вит. D в 1924 году А.Гессом и М.Вейнштоком: они воздействовали на растительные масла ультафиолетовыми волнами в диапазоне 280-315 нм. В середине 1930-х, благодаря исследованиям А.Виндауса, стала ясна «двойственная» природа витамина, в частности, его способность образовываться в коже млекопитающих. С этого же времени препараты витамина стали широко использоваться для профилактики и лечения рахита – наиболее распространённого заболевания, развивавшегося при D-гиповитаминозе (хотя рыбий жир как «антирахитическе средство» применяли и в XIX столетии).

Последние 25-30 лет изучения витамина D принесли очередные важные открытия. Среди них – обнаружение того факта, что метаболит витамина, 25-гидроксивитамин D3 (25OHD3), является не только одной из промежуточных форм его обмена, но и едва ли не основным резервуаром вит. D в организме. А поскольку концентрация 25OHD3 в крови изменяется сравнительно медленно (период полувыведения этого вещества составляет 2-3 недели – для физиологического показателя большой срок), исследователи получили возможность изучать витаминный статус целых популяций, оперируя при этом точными количественными показателями.

Сегодня роль витамина D представляется нам значительно большей, чем это казалось ещё десятилетие назад. Согласно современным оценкам, он обеспечивает до 3% вклада в реализацию генома человека. От витаминного статуса зависит строение костей, функциональное состояние мышечной системы, и даже уровень интеллекта. Рахит – только одно, правда, наиболее известное проявление D-гиповитаминоза. Сейчас мы не воспринимаем его как серьёзное заболевание, но вплоть до начала ХХ века рахитически суженный таз у женщин часто приводил к осложнениям в родах. Распространение рахита и высокая частота гибели женщин родами рассматривается как одна из причин вымирания первой волны европейских переселенцев в Гренландию в начале XV в. Так что с точки зрения антрополога, обеспеченность витамином D – один из мощных факторов, влияющих на популяцию.

В современных условиях удалось значительно снизить частоту развития тяжёлых гиповитаминозов и выраженных форм рахита. Но умеренно выраженный D-гиповитаминоз по-прежнему нередок в американских, европейских и российских популяциях. Так, среди взрослых французов он обнаружен у 14%, среди жителей американского Бостона – у 24-42%. Результаты наших обследований школьников Пермского края и Республики Коми показывают, что в некоторые сезоны года недостаток витамина (как правило, умеренной степени) распространён среди детей северных регионов Европейской России. 

Таблица. Доля детей до 18 лет с недостатком витамина D в обследованных выборках
(содержание 25-OHD3 ниже 50 нмоль/л) 

Населённый пункт/ регион обследования; географическая широта

Недостаток вит. D (%)

Источник*

Ижма (респ. Коми, РФ; 65 СШ)

96

Собств. данные

Корткерос (респ. Коми, РФ; 62 СШ)

72

Собств. данные

Турку (Финляндия; 61 СШ)

68

Lehtonen-Veromaa et al., 1999

Берген (Норвегия; 60 СШ)

43

Holvik et al., 2008

Орда (Пермский край, РФ; 57 СШ)

47

Собств. данные

Подмосковье (РФ; 56 СШ)

38

Смирнова и др., 2010

Эдмонтон (Канада; 52 СШ)

40

Roth et al., 2006

* - подробную библиографию см.: Козлов и др., 2012 

Для специалиста в области биологии человека, наличие экзо- и эндогенного вариантов обеспечения организма витамином Д – хороший пример эволюционной и экологической пластичности регуляции минерального обмена: в зависимости от конкретных условий среды обитания, ведущую роль принимает либо кожа, либо пища.

Выработку эндогенного витамина D инициируют УФ-В-волны (280-315 нм – те самые, которыми занимались ещё А.Гесс и М.Вейншток): они вызывают кожную реакцию, и потому называются эритемной радиацией. Исторически, эволюционно мы все темнокожие (ведём родословную от темнокожих африканцев, кожа которых из-за высокого содержания меланина пропускает в глубокие слои всего около 7% УФ-В-волн). Но 1,8-1,4 млн лет назад некоторые виды гоминид начали проникать из Африки в регионы с меньшей инсоляцией, и у них, по-видимому, стали возникать проблемы с регуляцией минерального обмена. Во всяком случае, для населявших Европу наших «двоюродных братьев»-неандертальцев (130-28 тыс л) эти проблемы стали настолько острыми, что в их популяциях распространился мутантный аллель mc1r, частично выводящий из строя меланокортиновый рецептор. Под действием этого аллеля снижается выработка чёрно-коричневой разновидности меланина (эумеланина) и возникает дисбаланс в пользу рыжего феомеланина. Кожа становится менее смуглой, её отражающая способность повышается, но зато глубоких слёв достигает почти треть (до 29%) УФ-В-волн: феомеланин связывает их гораздо слабее, чем его тёмный аналог. В результате выработка эндогенного витамина D значительно возрастает. 

Интенсивность УФ-облучения и степень пигментации кожи коренного населения.
Интенсивность УФ-облучения и степень пигментации кожи коренного населения.

У людей современного физического типа, проникших в Европу позже неандертальцев, отбором были подхвачены подобные (хотя и не те же!) мутации. В результате распределение современных групп H.sapiens с разной интенсивностью кожной пигментации коррелирует с географической широтой проживания популяции. Исследования взрослых мужчин коренного населения Африки, Европы, Азии, Океании и Америки показали, что все темнопигментированные популяции локализуются в пределах 20о широты севернее и южнее экватора. Группы со средним содержанием меланина населяют территории в пределах 20-40 параллелей. Наконец, популяции с наименьшим содержанием меланина в коже локализованы в широтах севернее и южнее 40о.

Однако географическая широтность лишь косвенно связана с уровнем ультрафиолетового облучения. Интенсивность УФ-В-радиации на одной и той же широте колеблется в зависимости от числа солнечных дней в году, высоты над уровнем моря, толщины озонового слоя атмосферы и многих других факторов. Поэтому правильнее сопоставлять уровень содержания меланина в коже непосредственно с инсоляцией.  Исследования подтвердили: чем ниже уровень эритемной радиации, тем светлее кожа. Одно из немногих исключений из этой закономерности – относительно темно пигментированные коренные народы Арктики. У них синтез эндогенного вит.Д должен быть снижен, но недостаток витамина компенсируется экзогенным («истинно витаминным») путём. Раньше считали, что его поставляют тюленина, моржатина и рыба. Те, кто постарше, помнят ужасные чайные ложечки рыбьего жира, которым нас пичкали в детстве. Как выяснилось в последние годы, в высоких широтах имеется ещё один, поистине уникальный источник витамина D – оленина. Дело в том, что в биохимическом отношении предшественником витамина являются растительные стеролы, которые продуцируют водоросли. Основу же питания оленя составляют лишайники – симбиотические организмы, состоящие из грибов и водорослей. Олень (как и рыба) аккумулирует эргокальциферол в своих тканях (Björn, Wang, 2000), а человек, как консумент более высокого порядка, получает с олениной значительное количество витамина. 

Содержание витамина D в сыворотке крови (взрослые, 20-59 лет, обследованы весной)
Содержание витамина D в сыворотке крови (взрослые, 20-59 лет, обследованы весной)

Потребление рыбы и оленины при традиционном образе жизни северян было высоким. По нашим оценкам, у кольских саамов (одних из самых «бедных» оленеводов Евразии!) в начале ХХ века на человека приходилось в среднем 117 кг оленины и 70 кг рыбы в год (Козлов и др., 2008). Это в 1,6 и 3,5 раза больше, чем у нынешнего жителя РФ (в 2008 г на каждого из нас пришлось 74,8 кг мяса и 19,7 кг рыбы). Исследования показали, что даже у современных оленеводов содержание вит. D выше, чем у представителей антропологически близких групп, живущих южнее, но с оленеводством не связанных. Так, у оленеводов коми-ижемцев содержание в сыворотке крови 25ОНD3 равно в среднем 68,7 нмоль/л, а у обследованных в тот же сезон коми-пермяков – всего 44,7 нмоль/л (Козлов и др., 2011).

Частые упоминания о географической широте не случайны. Согласно распространённым представлениям, жители северных регионов подвержены большей опасности гиповитаминоза D по сравнению с обитателями юга и умеренных широт. Это мнение верно лишь в самом общем случае. О роли диеты в поддержании оптимального витаминного статуса мы уже говорили, о значении ультрафиолетового облучения – тоже. Но, как выяснилось опять-таки совсем недавно, даже «умеренные» широты в отношении уровня эритемной радиации и выработки эндогенного вит.D – слишком «северные». 

35º СШ – северная граница УФ-В облучения,  достаточного для круглогодичной продукции вит. D3  (Webb et al., 1988; Holick, 2004)
35º СШ – северная граница УФ-В облучения, достаточного для круглогодичной продукции вит. D3 (Webb et al., 1988; Holick, 2004)

Проведённые в США исследования показали, что в коже жителей регионов, лежащих севернее 35о СШ, витамин D с ноября по март практически не синтезируется (Webb et al., 1988). Но 35-я параллель, пересекающая в Новом Свете штаты Оклахома, Техас, Калифорния – это широта африканского Марокко и ближневосточных Ливана и Ирана, так что вся территория Европы (и тем более Российской Федерации) в этом контексте должна рассматриваться как «север».

Но рыбы в континентальной Европе мало, северного оленя нет совсем, а солнца, как мы видим, тоже недостаточно. Возможное решение проблемы – получение дополнительных количеств кальция (вспомним, что речь-то идёт, по сути, о минеральном составе костей) с какими-то видами пищи. Оптимальным продуктом в этом отношении является молоко, но проблема в том, что усваивать его могут только детёныши млекопитающих. У всех зверей по мере взросления снижается активность фермента лактазы, расщепляющей молочный сахар-лактозу (это явление называется гиполактазией), и подросший детёныш после материнского молока испытывает неприятные ощущения в животе. Это заставляет его в определенном возрасте от молока отказаться – и в результате мать может перейти к выкармливанию следующего потомка. Заметим, кстати, что содержание витамина D в молоке невелико: с ним грудной младенец может получить лишь малую часть необходимой суточной дозы (по разным оценкам – от 4 до 10%). Так что речь идёт в первую очередь о молоке как источнике кальция.

Активность лактазы генетически детерминирована, и ещё в 1970-х годах стало ясно, что в некоторых группах людей по каким-то причинам отбором поддерживается высокая доля носителей мутантного аллеля: его обладатели во взрослом состоянии стабильно сохраняют «детскую» способность расщеплять лактозу, и в результате – без неприятных последствий пить молоко.

Несколько лет назад удалось определить сначала участок хромосомы, на котором локализован ген лактазы у человека, затем установить локализацию самого гена (он получил название LCT), и в конце концов подтвердить, что его аллельное состояние действительно детерминирует способность взрослых к употреблению молока. На территории РФ мы обследовали около 20 популяций от Чукотки до Кольского полуострова и от Ледовитого океана до Центрального Поволжья, а привлечение данных по другим популяциям России и мира позволило составить карты распределения признака в Старом Свете, Евразии и на территории Урала (Козлов, 1996; Козлов и др, 1998; Соколова и др., 2005; Боринская и др., 2006). 

Распределение гиполактазии в популяциях Европы.
Распределение гиполактазии в популяциях Европы.

Но на определённом этапе исследований возникло подозрение, что распространённая в то время культурно-генетическая гипотеза возникновения стабильной активности лактазы у человека имеет ряд слабых мест. В самом кратком виде эту гипотезу можно изложить следующим образом: «одомашненные человеком коровы вывели породу людей, способную пить молоко». Идея красивая, но когда мы с Д.В.Лисицыным  составили карту истории распространения домашних коров, оказалось, что она не совпадает с картой гена лактазы (Kozlov, Lisitsyn, 2000). В Европе частота мутантного аллеля стабильной активности лактазы снижается с запада на восток, а граница разведения молочного скота с неолита до средневековья перемещалась почти строго с юга на север. Максимальная доля носителей интересующего нас аллеля концентрируется в Северо-Западной Европе, у побережья Северного и Балтийского морей, хотя этот регион далёк от Малой Азии – ближайшего к Европе региона одомашнивания молочного скота. Но, как показывают работы последнего десятилетия, Северо-Западная Европа характеризуется максимальным генетическим разнообразием крупного рогатого скота. Согласно постулатам эволюционной генетики, это означает, что скотоводство и выведение разнообразных пород крупного рогатого скота именно здесь на протяжении веков были более интенсивными, чем где-либо. 

Северные границы молочного скотоводства в Европе.
Северные границы молочного скотоводства в Европе.

Не связано ли это с особо высокими потребностями европейцев в молоке как источнике кальция, компенсирующем недостаток витамина D? В поисках ответа на этот вопрос мы с Г.Г.Вершубской исследовали связь между уровнем УФ-В-облучения и распространенностью гиполактазии в 54 популяциях Европы, Ближнего и Среднего Востока. Великолепным источником информации об уровне эритемной радиации послужили открытые для общего пользования данные искусственного спутника NASA EarthProbe/TOMS. Правда, чтобы воспользоваться ими, пришлось разработать специальное программное обеспечение: спутник передаёт результаты измерений в виде непрерывной цепочки цифр, которую необходимо «разрезать» на фрагменты, несущие информацию об уровне УФ-В-радиации в конкретной точке планеты в определённое время. Работа себя оправдала: оказалось, что с повышением среднегодового уровня УФ-В-облучения, в популяции нарастает доля носителей аллеля гиполактазии, и соответственно снижается доля индивидов со стабильной активностью лактазы. Другими словами, чем ниже инсоляция в регионе, тем больший процент взрослого коренного населения сохраняет способность пить молоко, получая с ним дополнительный кальций и избегая таким образом формирования рахитически суженного таза, переломов, мышечной слабости и т.п. 

Группировка популяций в зависимости от уровня УФ-В облучения и частоты гиполактазии.
Группировка популяций в зависимости от уровня УФ-В облучения и частоты гиполактазии.

Выявленная закономерность проявляется только во внетропических и внеарктических областях, а наиболее ярко выражена в популяциях, населяющих регионы между 23 и 61-й параллелями. Но и среди них более южные народы выделяются в особый кластер (мы условно обозначили его как «средиземноморский»), в котором в среднем 67% взрослых не усваивают молоко (на слайде эта группа выделена кружком). В популяциях другого, «среднеевропейского» кластера, обитающих в регионах с
невысоким уровнем УФ-В радиации, носителей генотипа гиполактазии вдвое меньше – всего 28%.

Раздел между кластерами прошёл не так далеко от 35-й параллели – той самой условной «границы», севернее которой, по мнению американских исследователей, в зимнее время достаточного количества эндогенного витамина D у человека не образуется. Это совпадение натолкнуло нас на мысль сравнить данные о содержании 25OHD3 в сыворотке крови с долей носителей гена гиполактазии в популяции. Такие материалы удалось подобрать для 30 групп населения Европы: выборка небольшая, поскольку пришлось тщательно учитывать сезон года и возраст обследованных – эти факторы влияют на концентрацию витамина в крови. 

Витамин D и гиполактазия в европейских популяциях.
Витамин D и гиполактазия в европейских популяциях.

Но и на этом материале проявилась обратная связь между содержанием 25OHD3 и частотой гиполактазии. Немного утрируя, можно сказать, что чем больше витамина D в крови, тем меньше нужда в молоке, как источнике кальция.

Это проясняет и важность молочного животноводства в Северной Европе, и отсутствие жизненной необходимости в нём в тропиках и Арктике. Сравнительно невысокий уровень УФ-облучения в Северо-Западной Европе требовал компенсации в виде богатых кальцием продуктов, а благоприятные условия для молочного скотоводства создавали существенное давление отбора в пользу фенотипов со стабильной активностью лактазы. В областях с очень низким уровнем эритемной радиации (Субарктике, Арктике) поступление витамина D обеспечивали входящие в традиционные диеты рыбий жир и оленина. А в тропиках и субтропиках – что ж, там и солнышка вполне хватало…

Идея о том, что минеральный обмен кости нормализуется в результате «замещения» витамина D поступающим с молоком кальцием, сама по себе не нова. Но только сейчас, после появления методик количественной оценки содержания 25OHD3 в организме, доказательства связи между генотипом и фенотипическими проявлениями активности лактазы, объединения антропологических, генетических и экологических подходов к решению медицинских задач, мы получили возможность её строгой проверки.

Безусловно, эти исследования необходимо продолжать и развивать.

Британские исследователи Дж. Дэвис и Н. Шоу (Davies, Shaw, 2010) утверждают: дефицит витамина D и рахит – проблемы решаемые, только вот стратегии для их разрешения пока не разработано. И это в государстве, подавляющая часть населения которого живёт на территории, лежащей существенно южнее Москвы. Мы же – страна северная, и изучение D-витаминного статуса населения, сезонной динамики этого показателя, актуально уже в силу географической локализации российских популяций. 


11 февраля - Ученые Против Мифов в Петербурге

Интересно

Когда [шимпанзе] Рафаэль не проявлял большого интереса к пище, то в качестве «награды» использовали живую кошку, помещенную в ящик и выскакиваю­щую из него каждый раз после того, как крышка открывалась. Это был для шимпанзе очень сильный раздражитель.

Ян Дембовский, Психология обезьян, М., «Издательство иностранной литературы», 1963 г., с. 141.

Catalog gominid Antropogenez.RU