Сегодня говорим о любопытном: как пищевые привычки наших предков изменили наши гены.
Данила Трофимов, редактор 1001.ru
Тысячелетиями человек приспосабливался к условиям жизни: погоде, хищникам, смене дня и ночи и, конечно, еде. Пищевые привычки тех времен до сих пор скрыты в наших генах. Татьяна Татаринова, профессор Университета Южной Калифорнии, помогла «Чердаку» разобраться во влиянии генов на современную жизнь человека.
Пыль, жара, толпа в ожидании, два мальчика хлещут друг друга кнутами по спинам. Так выглядит обряд инициации у народа фулани, проживающего на обширной территории в Западной Африке. От деревни к деревне в обряде посвящения в мужчины бывают вариации, но суть везде одинаковая: докажи, что ты мужчина своим терпением и стойкостью.
В 2015 году ученые нашли следы этого жестокого обычая в ДНК представителей племени фулани: их гены, кодирующие белки вкусовых рецепторов, подверглись мутациям, которые снизили чувствительность рецепторов. Оказывается, незадолго до начала инициации мальчикам дают выпить пальмовое пиво с таким жутким вкусом, что выдержать его можно только после нескольких лет упорных тренировок и с притупленным ощущением вкуса. Иначе эту дрянь не выпьешь, а без нее вытерпеть жестокие удары невозможно.
Поэтому веками эволюция отбирала из племени фулани мужчин с мутациями гена TAS2R, позволяющими более эффективно перерабатывать алкалоиды из пальмового пива и тем самым облегчающими посвящение во взрослую жизнь. Остальные просто не выдерживали ударов хлыстов: позор «проваленной» инициации не позволял им жениться и, следовательно, оставить потомство. Выживет самый бесчувственный.
«История с фулани очень яркая и показательная, — говорит Татьяна Татаринова. — Вкусовые гены современных людей не только меняются от народу к народу, но еще и отличаются от денисовских и неандертальских. Например, сегодня нам всем нравится запах копченой колбасы, но древним людям он, возможно, был бы совсем неинтересен».
Огонь, земля и молочные реки
Наш мозг — очень требовательный аппарат. Он составляет всего 2% от общей массы тела, но потребляет до 20% всей энергии в человеческом организме: высокопроизводительные вычисления, которые когда-то обеспечили человеку возможность общаться, планировать свои действия и делать сложные орудия труда, требуют больших затрат. А потому любая новация, дававшая возможность более эффективно извлекать энергию из пищи, делала человека не столько сильнее, быстрее или больше, сколько умнее: избыток энергии тратился на работу нашего главного адаптивного органа.
Первая и самая грандиозная гастрономическая революция в истории человечества связана с освоением огня и затеряна где-то далеко в веках. Как все тогда случилось, ученые спорят до сих пор. Одни считают, что у людей сначала появились мутации, позволяющие переваривать жареную и вареную пищу и не травиться побочными продуктами такой термической обработки.
Эти счастливчики могли приготовить первые доисторические бифштексы и фрикадельки, используя лесные пожары или тепло горячих источников, получить от этого солидный выигрыш калорий, а затем использовали его для развития мозга, которое со временем и позволило освоить добычу огня.
Согласно другой версии, древние люди сначала научились разжигать и поддерживать огонь в своих пещерах для обогрева, а уже потом самые удачливые из них — обладатели подходящих генов — стали понемногу готовить пищу и получать от этого невероятное эволюционное преимущество, которое дало им ресурсы вынашивать и рожать больше детей и заселять территорию своими потомками.
Укрощением огня в древнем мире было некого удивить: готовить пищу умели и неандертальцы, и денисовцы и, судя по всему, даже человек работающий (Homo еrgaster), а вот земледелие оказалось подвластно только человеку разумному и навсегда поменяло нашу ДНК. Недавнее исследование американских ученых показало, что у современных людей в среднем шесть копий гена AMY1, кодирующего фермент амилазу, а у денисовцев или неандертальцев только две диплоидные копии. Амилаза слюны осуществляет гидролиз крахмала и гликогена еще в ротовой полости. «По-видимому, когда у людей появилось сельское хозяйство, то постепенно у них закрепилась совершенно другая реакция на крахмал, чем у других гоминидов. Неандертальцы или денисовцы не могли так эффективно переваривать пшеницу или рис», — рассказывает Татаринова.
Человек — это единственное млекопитающее, способное употреблять молочные продукты во взрослом возрасте, после перехода на твердую пищу. Другие могут пить молоко только в детстве, а потом у них выключатся гены, ответственные за переработку лактозы, чтобы выросшие детеныши не ходили за мамой всю жизнь и она могла кормить новое потомство. То же самое раньше наблюдалось и у людей, но потом они приручили коров, коз и овец, и так, постепенно, человечество стало привыкать к потреблению молока.
«По антропологическим данным, коров приручили где-то 10 тысяч лет назад, а гены для переработки молока появились где-то 5 тысяч лет назад, — говорит Татаринова. — Пять тысяч лет люди держали коров, производили и ели сыр, но не могли пить цельное молоко».
Объяснить такую временную задержку несложно. Ведь каждый ген может существовать сразу в нескольких вариантах, или, как говорят ученые, в «аллелях». Все клетки человеческого организма, кроме половых, содержат сразу по два аллеля каждого гена — несут два набора хромосом. Если эти аллели различаются и содержат разные инструкции по синтезу одного и того же белка, то организм будет следовать только одной из этих инструкций — доминантной. Например, у человека с двумя аллелями гена, определяющего цвет глаз, — голубым и карим — глаза будут карими, потому что аллель карих глаз — доминантный, а аллель голубых — рецессивный (это упрощенное описание случая полного доминирования. В реальности организм может как будто пытаться выполнить сразу две инструкции, и глаза станут зелеными — такой случай называют неполным доминированием).
Поэтому даже самая выгодная генетическая новация у людей не может быстро закрепиться. Сначала у нескольких человек должен случайно появиться мутантный аллель, действие которого будет скорее всего подавлено другими, доминантными по отношению к нему вариантами гена. Потом два «мутанта» должны встретиться и произвести потомство, у которых будет сразу две копии нового аллеля. Эти потомки должны вырасти, выжить и размножиться, и так далее.
Всего нужно 150–400 поколений (или 3–8 тысяч лет), чтобы новинка закрепилась в наших ДНК, и то если она дает своим носителям солидные преимущества в повседневной жизни.
Именно поэтому гены фермента лактозы так медленно захватывали мир: генетическое исследование 13 скелетов, найденных на Великой венгерской равнине и датированных 5700–800 гг. до нашей эры показало, что у всех обнаруженных представителей была непереносимость лактозы.
Кстати, такая особенность свойственна до сих пор более чем половине населения Земли. Пить молоко и расщеплять лактозу могут только жители северных стран, в том числе России: здесь необычная мутация, появившаяся несколько тысяч лет назад, была особенно выгодна. В условиях скудного рациона питания и дефицита солнечного ультрафиолета молочные продукты стали ключевым источником энергии и микроэлементов, необходимых для жизни и рождения здорового потомства.
Кстати, недавнее исследование в журнале Nature Genetics показало, что существует значительное совпадение между повышенным генетическим разнообразием молочных генов у коров, географическими зонами неолитических стоянок с наличием крупного рогатого скота и современным уровнем переносимости лактозы в Европе. Так что не зря, по-видимому, у голландцев самый вкусный сыр!
«В геномах и пищевых привычках современных людей мы наблюдаем те факторы, что появились еще 8 тысяч лет назад, при переходе к бронзовому веку», — говорит Татаринова.
Костяные грамоты
В 1994 году исследователи из Университета Бригама Янга (Brigham Young University) заявили, что смогли получить фрагмент митохондриальной ДНК (мтДНК) динозавра мелового периода из костей возрастом 80 миллионов лет.
Это была сенсация: человечество получило возможность заглянуть в генетическую историю допотопного мира. Реальность оказалась намного менее интересной: другие лаборатории не смогли повторить результаты этого исследования, а найденные уникальные фрагменты мтДНК были больше похожи на мтДНК человека, чем птиц или рептилий. Ученые поняли, что за доисторические древности они принимали следы неосторожных лаборантов, работавших с образцами.
Такие истории часто случаются при работе с древней ДНК (дДНК, ancient DNA, aDNA) не только динозавров, но и людей. Слова в генетических летописях стираются, а сами рукописи распадаются на страницы и замарываются безграмотными варварами. Молекулы дДНК постепенно укорачиваются под действием ферментов бактерий, разлагающих ископаемые останки, самопроизвольно меняют свою структуру (например, цитозин со временем постепенно превращается в тимин) и смешиваются с ДНК тех же бактерий или, например, волков, раскопавших могилы, чтобы полакомиться костями. Увы, ни один носитель информации на Земле не вечен.
Поэтому ученые очень осторожно относятся к исследованиям дДНК, а самым древним организмом, ДНК которого секвенировано, пока считается лошадь эпохи среднего плейстоцена, жившая где-то 560–780 тысяч лет назад. Дальше в генетическую историю мира человечество пока не забралось.
Впрочем, нужно быть внимательными при работе не только с очень древним ДНК.
«Если вы хотите работать с останками прапрадедушки, который погиб в Бородинской битве, то нужно взять в команду китайского или даже африканского лаборанта, — рассказывает Татаринова. — Даже опытный исследователь может загрязнить своей ДНК древние образцы, но следы африканцев или китайцев в европейских данных будет легче отсеять по специфическим мутациям».
Кроме того, внимательный анализ данных поможет отличить древние ДНК от современных, например, по тем самым характерным превращениям цитозина в тимин, которые по своей природе чаще всего случаются на концах макромолекул ДНК — они активнее участвуют в броуновском движении и потому более реакционно способны. Также аккуратное исследование древней ДНК нужно проводить сразу по нескольким снипам (от английской аббревиатуры SNP — single nucleotide polymorphism) и добиваться хорошей воспроизводимости данных для разных лабораторий и разных образцов, найденных в одном захоронении или на одном кладбище.
Добавляем сюда еще условия специальных «чистых комнат» для работы с ДНК и дотошный отбор костей. «Для исследования лучше подходят толстые и плотные кости, в глубину тканей которых почти не проникли бактерии из окружающей среды — большая берцовая, височная, защищенные эмалью части зуба», — говорит Татаринова. В итоге получается весьма накладная и кропотливая схема эксперимента, потому хороших исследований древних ДНК людей пока совсем немного — даже найти в одном захоронении несколько скелетов с подходящими костями уже непросто.
Помогают генетикам антропологи, методы работы которых гораздо более выверены: например, рацион питания наших доисторических предков с какой-нибудь раскопанной стоянки можно восстановить по виду зубов и изотопному составу тканей.
«В древнем ДНК полно мусора, и при работе с ней нужно постоянно отделять «зерна» от «плевел», — рассказывает Татаринова. — Антропология все-таки наука гораздо более устоявшаяся, и поэтому разумно брать антропологические гипотезы и тестировать их с помощью генетических данных. Антропологические данные могут помочь нарисовать, образно говоря, большую мишень для дальнейших генетических исследований. Но если стрела древней ДНК попадает в мишень на другом дереве, значит, скорее всего, с генетическим данными что-то не так».
Кухни народов мира
Есть еще один, гораздо более простой способ заглянуть на кухню наших предков — не копаться в их древней ДНК, а внимательно приглядеться к тому наследию, уникальным вкусам и предпочтениям, что они оставили миллиардам современных людей. Так, диета масаи, полукочевого африканского народа, обитающего в саваннах Южной Кении и Северной Танзании, для нас выглядит как минимум странной, а как максимум — даже смертельной.
«Масаи могут есть столько жира и не толстеть, что мне, европейской женщине на вечной жесткой диете, прямо хочется сдохнуть от зависти, — говорит Татаринова. — За день в среднем они съедают в шесть раз больше жиров, чем европейцы, а все равно остаются худыми».
В 1971 году ученые решили испытать эту необычную особенность масаи в эксперименте. Они собрали две группы подопытных в возрасте 20—24 лет, в каждой из которых были и масаи, и европейцы. Людей из контрольной группы ученые держали на обычном рационе, а другим добавляли по два дополнительных грамма холестерина в день. После восьми недель такой диеты масаи абсолютно ничего не почувствовали: содержание холестерина в крови масаи из обеих групп было одинаковым в рамках погрешностей.
Европейцам повезло намного меньше: каждые дополнительные 100 миллиграмм холестерина в диете повышали уровень холестерина в крови на 11,8 мг/100 мл (при норме в 160-250 мг/100 мл). Нам остается только гадать, как эти двухмесячные испытания повлияли на жизнь и здоровье генетически неподготовленных европейцев, но одно известно точно: холестерин для масаи — не проблема. Кстати, поэтому в их обществе принято выдавать молодых девушек за умудренных опытом 60-летних и 70-летних мужчин, не отягощенных лишним весом, проблемами с сердечно-сосудистыми заболеваниями и, главное, вполне способных оставить после себя здоровое потомство.
Многие века естественного отбора оставили только самых приспособленных масаи — тех, кто может питаться жирной пищей и не наживать себе крупных проблем с сердцем и сосудами.
Историю, похожую на ситуацию с масаи или фулани, ученые недавно прочли в генах эскимосов Гренландии, которых они сравнивали с некоторыми народами Индии, Южной Азии и Африки, исторически придерживающихся вегетарианской диеты. Ученые отследили в этих популяциях частоту аллеля, связанного с адаптацией к пище в контексте омега-3 и омега-6, ненасыщенных жирных кислот, необходимых для работы человеческого организма, которые человек может получить почти только из пищи.
Оказалось, что гены вегетарианцев веками затачивались на усиленную обработку еды для извлечения дефицитных омега-3 и омега-6 из растительной пищи, в то время как у эскимосов с их морской диетой, богатой насыщенными жирными кислотами, таких мутаций не наблюдается. Быть вегетарианцем для них почти невозможно.
Молоко, холестерин, насыщенные жирные кислоты, алкоголь — наши гастрономические предпочтения зафиксированы в генах и традициях далеких и близких предков. Внимательный взгляд на ДНК поможет в будущем подобрать каждому из людей оптимальную диету. Полной картины взаимосвязи генов и питания у ученых-нутригенетиков пока нет, а новые исследования в этой области проводить непросто.
Эксперименты на современных людях, похожие на опыты с масаи, не разрешат этические комиссии, так как одна из групп людей будет гарантированно получать вредное питание (как те европейцы, подкормленные холестерином). Альтернативы — исследования древних ДНК — пока очень сложны и дороги.
«Стоимость одной базы древней ДНК гораздо выше, чем стоимость базы современных ДНК, — рассказывает Татаринова. — В настоящее время подобные работы в разных странах финансируют исключительно агентства фундаментальных исследований — частных инвестиций вкладывается мало. Но мне кажется, что скоро в эту область придут коммерческие компании, так как воссоздание генетической картины эволюции пищевых привычек может значительно повлиять на пищевую индустрию».
Тем более, еда влияет не только на наш геном, тысячелетиями закрепляя в нем нужные мутации, но и на эпигеном: любой съеденный продукт практически в реальном времени меняет активность наших генов. Об этом — в следующей части материала.
Татьяна Татаринова — профессор Университета Южной Калифорнии, член научного совета биомедицинского холдинга «Атлас» и сотрудник Института проблем передачи информации.
Михаил Петров
