Лактоза и естественный отбор у людей
Dec. 18th, 2025 04:52 pm![[personal profile]](https://www.dreamwidth.org/img/silk/identity/user.png){kind=small}
idelsonКак можно понять из названия, млекопитающие выкармливают своих детенышей молоком. Период выкармливания молоком энергетически стоит матери дороже, чем беременность. Для каждого вида животных длина этого периода устанавливается естественным отбором в виде компромисса между двумя противоположно направленными давлениями: с одной стороны, детеныша надо кормить достаточно долго, чтобы он мог выжить, пока не сможет перейти к другой пище, а с другой - мать должна прекратить его кормить достаточно быстро, чтобы иметь возможность завести новое потомство.
Самый короткий период кормления - у тюленей. Это связано с тем, что тюлени всю жизнь проводят в воде, а рожают и выкармливают детей на льду. Поэтому тюлениха, пока она выкармливает детеныша, не ест, а кормит его за счет собственных запасов. Короче всего период кормления у редкого вида тюленя-хохлача. Он занимает всего 4 дня. Новорождённый детеныш весит 12-27 кг, и в течение 4 дней кормления он прибавляет по 7 кг в день. По окончании этого срока у тюленихи кончается молоко, и мать вместе с детенышам уходят в воду, где сначала детеныш плавает вместе с матетью, а потом уходит в самостоятельное плавание.
Слева - чучело самца тюленя-хохлача. Обратите внимание на гребешок на его голове. Когда тюлень возбужден - этот гребешок раздувается. Справа - детеныш.
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:2016-klappm%C3%BCtzemuseumkoenig.jpg
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Hooded_seal_crop.jpg
Таким образом, молоко - это временный корм, который должен быть привлекательным для ребенка в период кормления и утрачивать привлекательность, когда этот период закончится.
Почти у всех млекопитающих молоко содержит особый сахар - лактозу. Помимо молока, лактоза не встречается больше нигде в живой природе.
Молекула лактозы состоит из двух соединенных вместе циклических молекул сахаров: глюкозы и галактозы.
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Lactose_Haworth.svg
Для того, чтобы она усваивалась, на поверхности клеток кишечника у детенышей есть специальный фермент лактаза, который разлагает лактозу на глюкозу и галактозу. К моменту, когда ребенку пришло время отказаться от молока, этот фермент исчезает, и лактоза перестает усваиваться.
Мало того, что лактоза перестает быть источником питания, она еще проходит неусвоенной дальше по кишечнику, и там становится добычей для живущих в кишечнике бактерий. Бактерии размножаются, и нередко, хотя и не всегда, это может привести к неприятным ощущениям. То же самое касается человека - у многих людей бывает непереносимость лактозы. Если такой человек выпьет молока - в его кишечнике размножатся бактерии, и у него может болеть живот.
Но ведь мы знаем, что многие люди и во взрослом возрасте пьют молоко, и с ними ничего плохого не происходит. Если составить карту, в каких местах на Земле люди могут, а в каких не могут потреблять молоко, мы обнаружим интересную вещь: процент таких людей распространен неравномерно: есть народы, в которых почти все могут усваивать молоко, а есть такие, в которых почти никто не может.
Но на карте видно и кое-что еще: есть три центра, где способность потреблять молоко максимальна. Один из этих центров - белое население северной Европы, поэтому нам способность во взрослом возрасте потреблять молоко кажется само собой разумеющимся. Два других региона - это Сахель - районы, примыкающие с юга к пустыне Сахара, и Аравийская пустыня. У всех этих регионов есть нечто общее: местные жители занимаются скотоводством, и у них не очень-то есть альтернативные источники питания (напомню, что мы говотим о "старом порядке", до возникновения глобальной экономики).
На этой карте показано, какой процент коренного населения в разных местах может во взрослом возрасте потреблять молоко.
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Lactose_tolerance_in_the_Old_World.svg
Каким же образом люди все же могут потреблять молоко домашних животных? Тут надо отметить, что хотя при описании работы генов мы используем слова "включает"-"выключает", логика этого включения и выключения совсем не похожа на компьютерную. Речь не идет о включателях и выключателях, а о сложной сети, состоящей из многих разных белков, которые взаимодействуют друг с другом и с каким-то участками на молекуле ДНК, и тем самым включают сильнее или слабее, ослабляют или усиливают работу гена. Вся эта система не задумана для того, чтобы нам было проще ее понять: правила, изученные для одного гена, не обязательно верны для другого.
Для нашей истории важно, что, когда приходит время отлучать ребенка от молока, в его клетках появляется белок PDX-1, который связывается с участком ДНК, лежащем непосредственно перед началом гена, и его связывание работает как "выключатель". А что же происходит у людей, которые сохраняют способность усваивать лактозу во взрослом возрасте? Вы знаете, что ДНК представляет собой последовательность 4 вариантов нуклеотидов: А, Т, Ц и Г: как бы текст, записанный в 4-буквенном коде. Так вот, у людей, у которых лактаза сохраняется во взрослом возрасте, в этом тексте есть одно расхождение. Причем оно находится не в гене лактазы (LCT), а значительно выше по течению. Собственно, оно находится уже внутри другого, соседнего гена MCM1, хотя к его деятельности она не имеет никакого отношения.
У всех белых европейцев, способных усваивать лактозу, это расхождение находится в одном и том же месте: на позиции -13910 (считая от начала гена лактазы) вместо Ц написано Т. Такого расхождения достаточно, чтобы с этим местом связался специальный белок-усилитель OCT-1, который каким-то образом меняет устройство ДНК (может быть, разворачивает ее посильнее), таким образом настолько усиливает работу гена лактазы, что он может произвести достаточное количество фермента, несмотря на работу "выключателя".
Из: Anguita-Ruiz, A., Aguilera, C. M., & Gil, Á. (2020). Genetics of lactose intolerance: an updated review and online interactive world maps of phenotype and genotype frequencies. Nutrients, 12(9), 2689.
Если же посмотреть на другую популяцию - бедуинов Аравийской пустыни, у тех из них, кто может потреблять лактозу, то есть почти у всех, тоже есть расхождение в одной букве, в том же самом районе ДНК, но в другой точке: в позиции -13915 вместо Т написано Г. Это приводит к такому же эффекту, как у европейцев. В третьем месте - в Африке - вариантов замен больше, но все они находятся в том же районе ДНК, и приводят к такому же эффекту.
Если существует несколько вариантов изменений, которые могут привести к одному и тому же эффекту, а у европейцев из них присутствует только один — значит, они унаследовали именно этот вариант от своего предка. Само по себе это не говорит о естественном отборе: может быть, все белые европейцы происходят от одного предка, и просто так повезло, что именно у него оказался такой вариант (это называется "эффект основателя"). Но есть способ это проверить. Если это эффект основателя, то это в равной степени должно касаться и вариантов других генов: ведь они тоже пришли от одного предка. А если естественный отбор - то это будет касаться только этого участка ДНК и его ближайшего окружения на той же хромосоме.
По некоторым другим генетическим особенностям можно даже оценить, как давно происходил естественный отбор по способности усваивать лактозу. Оказывается, не очень давно: первые мутации, вызывающие способность усваивать лактозу, появились около 10 тыс. лет назад, в Европе естественный отбор усилился около 3–5 тыс. лет назад, а в Аравии и в Африке - около 6 тыс. лет назад.
В последние годы разработан метод, позволяющий отличить молочный жир от жировой ткани, даже у тех же животных: у них будет немного отличаться доля изотопа углерода 13С в разных жирных кислотах. И метод этот настолько чувствителен, что позволяет проверить следы жирных кислот на археологической керамике и сказать, что хранили в данном горшке - жирное мясо или молоко. Поэтому можно проследить, когда и где начали использовали в пищу молочные продукты. Исходя из этого метода, получается, что самые древние места, где начали использовать молоко - это Анатолия, а время - середина 7 тысячелетия до н. э. В 6 тысячелетии до н. э. использование молока начало распространяться в Европе, а в 4 тысячелетии до н. э. достигло Британии.
Наскальная живопись из пещеры в пустыне Сахара, на западе Ливии (5 тысячелетие до нашей эры) с изображением коров и горшков для молока.
Из статьи Dunne, J., et al. (2012). First dairying in green Saharan Africa in the fifth millennium BC. Nature, 486(7403), 390-394.
В 6 тысячелетии до н.э. скотоводство распространилось и в те области, которые стали впоследствии пустыней Сахара. В Сахаре есть пещерная живопись, изображающая большие стада коров, рядом с ними - люди, собирающие жидкость в какие-то горшки.Жидкость могла бы быть кровью (и в наше время есть африканские племена, которые, вместо использования молока, периодически устраивают коровам кровопускание и пьют кровь), но анализ керамики начиная с середины 6 тысячелетия до н. э. показывает, что жители Сахары использовали не кровь, а молоко.
Таким образом, можно считать доказанным, что варианты ДНК, ведущие к усвоению лактозы, появились в результате естественного отбора в тех популяциях людей, которые кормятся за счет животноводства.
Самый короткий период кормления - у тюленей. Это связано с тем, что тюлени всю жизнь проводят в воде, а рожают и выкармливают детей на льду. Поэтому тюлениха, пока она выкармливает детеныша, не ест, а кормит его за счет собственных запасов. Короче всего период кормления у редкого вида тюленя-хохлача. Он занимает всего 4 дня. Новорождённый детеныш весит 12-27 кг, и в течение 4 дней кормления он прибавляет по 7 кг в день. По окончании этого срока у тюленихи кончается молоко, и мать вместе с детенышам уходят в воду, где сначала детеныш плавает вместе с матетью, а потом уходит в самостоятельное плавание.
Слева - чучело самца тюленя-хохлача. Обратите внимание на гребешок на его голове. Когда тюлень возбужден - этот гребешок раздувается. Справа - детеныш.
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:2016-klappm%C3%BCtzemuseumkoenig.jpg
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Hooded_seal_crop.jpg
Таким образом, молоко - это временный корм, который должен быть привлекательным для ребенка в период кормления и утрачивать привлекательность, когда этот период закончится.
Почти у всех млекопитающих молоко содержит особый сахар - лактозу. Помимо молока, лактоза не встречается больше нигде в живой природе.
Молекула лактозы состоит из двух соединенных вместе циклических молекул сахаров: глюкозы и галактозы.
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Lactose_Haworth.svg
Для того, чтобы она усваивалась, на поверхности клеток кишечника у детенышей есть специальный фермент лактаза, который разлагает лактозу на глюкозу и галактозу. К моменту, когда ребенку пришло время отказаться от молока, этот фермент исчезает, и лактоза перестает усваиваться.
Мало того, что лактоза перестает быть источником питания, она еще проходит неусвоенной дальше по кишечнику, и там становится добычей для живущих в кишечнике бактерий. Бактерии размножаются, и нередко, хотя и не всегда, это может привести к неприятным ощущениям. То же самое касается человека - у многих людей бывает непереносимость лактозы. Если такой человек выпьет молока - в его кишечнике размножатся бактерии, и у него может болеть живот.
Но ведь мы знаем, что многие люди и во взрослом возрасте пьют молоко, и с ними ничего плохого не происходит. Если составить карту, в каких местах на Земле люди могут, а в каких не могут потреблять молоко, мы обнаружим интересную вещь: процент таких людей распространен неравномерно: есть народы, в которых почти все могут усваивать молоко, а есть такие, в которых почти никто не может.
Но на карте видно и кое-что еще: есть три центра, где способность потреблять молоко максимальна. Один из этих центров - белое население северной Европы, поэтому нам способность во взрослом возрасте потреблять молоко кажется само собой разумеющимся. Два других региона - это Сахель - районы, примыкающие с юга к пустыне Сахара, и Аравийская пустыня. У всех этих регионов есть нечто общее: местные жители занимаются скотоводством, и у них не очень-то есть альтернативные источники питания (напомню, что мы говотим о "старом порядке", до возникновения глобальной экономики).
На этой карте показано, какой процент коренного населения в разных местах может во взрослом возрасте потреблять молоко.
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Lactose_tolerance_in_the_Old_World.svg
Каким же образом люди все же могут потреблять молоко домашних животных? Тут надо отметить, что хотя при описании работы генов мы используем слова "включает"-"выключает", логика этого включения и выключения совсем не похожа на компьютерную. Речь не идет о включателях и выключателях, а о сложной сети, состоящей из многих разных белков, которые взаимодействуют друг с другом и с каким-то участками на молекуле ДНК, и тем самым включают сильнее или слабее, ослабляют или усиливают работу гена. Вся эта система не задумана для того, чтобы нам было проще ее понять: правила, изученные для одного гена, не обязательно верны для другого.
Для нашей истории важно, что, когда приходит время отлучать ребенка от молока, в его клетках появляется белок PDX-1, который связывается с участком ДНК, лежащем непосредственно перед началом гена, и его связывание работает как "выключатель". А что же происходит у людей, которые сохраняют способность усваивать лактозу во взрослом возрасте? Вы знаете, что ДНК представляет собой последовательность 4 вариантов нуклеотидов: А, Т, Ц и Г: как бы текст, записанный в 4-буквенном коде. Так вот, у людей, у которых лактаза сохраняется во взрослом возрасте, в этом тексте есть одно расхождение. Причем оно находится не в гене лактазы (LCT), а значительно выше по течению. Собственно, оно находится уже внутри другого, соседнего гена MCM1, хотя к его деятельности она не имеет никакого отношения.
У всех белых европейцев, способных усваивать лактозу, это расхождение находится в одном и том же месте: на позиции -13910 (считая от начала гена лактазы) вместо Ц написано Т. Такого расхождения достаточно, чтобы с этим местом связался специальный белок-усилитель OCT-1, который каким-то образом меняет устройство ДНК (может быть, разворачивает ее посильнее), таким образом настолько усиливает работу гена лактазы, что он может произвести достаточное количество фермента, несмотря на работу "выключателя".
Из: Anguita-Ruiz, A., Aguilera, C. M., & Gil, Á. (2020). Genetics of lactose intolerance: an updated review and online interactive world maps of phenotype and genotype frequencies. Nutrients, 12(9), 2689.
Если же посмотреть на другую популяцию - бедуинов Аравийской пустыни, у тех из них, кто может потреблять лактозу, то есть почти у всех, тоже есть расхождение в одной букве, в том же самом районе ДНК, но в другой точке: в позиции -13915 вместо Т написано Г. Это приводит к такому же эффекту, как у европейцев. В третьем месте - в Африке - вариантов замен больше, но все они находятся в том же районе ДНК, и приводят к такому же эффекту.
Если существует несколько вариантов изменений, которые могут привести к одному и тому же эффекту, а у европейцев из них присутствует только один — значит, они унаследовали именно этот вариант от своего предка. Само по себе это не говорит о естественном отборе: может быть, все белые европейцы происходят от одного предка, и просто так повезло, что именно у него оказался такой вариант (это называется "эффект основателя"). Но есть способ это проверить. Если это эффект основателя, то это в равной степени должно касаться и вариантов других генов: ведь они тоже пришли от одного предка. А если естественный отбор - то это будет касаться только этого участка ДНК и его ближайшего окружения на той же хромосоме.
По некоторым другим генетическим особенностям можно даже оценить, как давно происходил естественный отбор по способности усваивать лактозу. Оказывается, не очень давно: первые мутации, вызывающие способность усваивать лактозу, появились около 10 тыс. лет назад, в Европе естественный отбор усилился около 3–5 тыс. лет назад, а в Аравии и в Африке - около 6 тыс. лет назад.
В последние годы разработан метод, позволяющий отличить молочный жир от жировой ткани, даже у тех же животных: у них будет немного отличаться доля изотопа углерода 13С в разных жирных кислотах. И метод этот настолько чувствителен, что позволяет проверить следы жирных кислот на археологической керамике и сказать, что хранили в данном горшке - жирное мясо или молоко. Поэтому можно проследить, когда и где начали использовали в пищу молочные продукты. Исходя из этого метода, получается, что самые древние места, где начали использовать молоко - это Анатолия, а время - середина 7 тысячелетия до н. э. В 6 тысячелетии до н. э. использование молока начало распространяться в Европе, а в 4 тысячелетии до н. э. достигло Британии.
Наскальная живопись из пещеры в пустыне Сахара, на западе Ливии (5 тысячелетие до нашей эры) с изображением коров и горшков для молока.
Из статьи Dunne, J., et al. (2012). First dairying in green Saharan Africa in the fifth millennium BC. Nature, 486(7403), 390-394.
В 6 тысячелетии до н.э. скотоводство распространилось и в те области, которые стали впоследствии пустыней Сахара. В Сахаре есть пещерная живопись, изображающая большие стада коров, рядом с ними - люди, собирающие жидкость в какие-то горшки.Жидкость могла бы быть кровью (и в наше время есть африканские племена, которые, вместо использования молока, периодически устраивают коровам кровопускание и пьют кровь), но анализ керамики начиная с середины 6 тысячелетия до н. э. показывает, что жители Сахары использовали не кровь, а молоко.
Таким образом, можно считать доказанным, что варианты ДНК, ведущие к усвоению лактозы, появились в результате естественного отбора в тех популяциях людей, которые кормятся за счет животноводства.
