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

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) 

* - 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.

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 20^о 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 40^о.

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 (Bj?rn, 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)

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». 

35? 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 35^о 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.

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.

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.

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.

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.