Критическая роль, которую грудное вскармливание играет в выживании младенцев, могла привести во время последнего ледникового периода к распространенной генетической мутации у жителей Восточной Азии и коренных американцев, которая также, как ни странно, влияет на форму их зубов.
Генетическая мутация, которая, вероятно, возникла 20 000 лет назад, увеличивает плотность ветвления молочных протоков в груди, потенциально обеспечивая больше жира и витамина D младенцев, живущих на Крайнем Севере, где нехватка ультрафиолетового излучения делает трудно производить витамин D в коже.
Если распространение этой генетической мутации на самом деле связано с отбором по усилению ветвления протоков молочных желез, адаптация будет первым свидетельством отбора на связь между матерью и младенцем у человека.
«Это подчеркивает важность отношений между матерью и младенцем и то, насколько они важны для выживания человечества», - говорит Лесли Глуско, доцент кафедры интегративной биологии Калифорнийского университета в Беркли.
Что касается зубов, так уж получилось, что ген, контролирующий рост молочных протоков, также влияет на форму резцов человека. Следовательно, поскольку генетическая мутация была выбрана для наследственной популяции, жившей на крайнем севере во время последнего ледникового периода, лопатообразные резцы также стали более частыми. Скошенные резцы распространены среди коренных американцев и населения северо-восточной Азии, но редко встречаются у всех остальных.
Хлуско и ее коллеги обрисовывают в общих чертах многочисленные доказательства, подтверждающие эту идею, в статье, опубликованной на этой неделе в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
Это открытие также может иметь значение для понимания происхождения плотной ткани молочной железы и ее роли в развитии рака молочной железы.
Для исследования Глуско и ее коллеги оценили встречаемость лопатообразных резцов в археологических популяциях, чтобы оценить время и место эволюционного отбора по этому признаку. Они обнаружили, что почти у 100 процентов коренных американцев до европейской колонизации были лопатовидные резцы, как и у примерно 40 процентов жителей Восточной Азии сегодня.
Затем команда использовала генетические эффекты, общие с зубными вариациями, как способ различить эволюционную историю молочных желез из-за их общего пути развития.
"Люди долгое время думали, что этот паттерн лопаты настолько силен, что, должно быть, был эволюционный отбор в пользу этого признака, но почему такой сильный отбор по форме ваших резцов?" - сказал Глушко. «Когда у вас есть общие генетические эффекты во всем теле, отбор по одному признаку приведет к тому, что все остальное пойдет вместе с вами."
Соединение с витамином D
Получение достаточного количества витамина D, который необходим для крепкой иммунной системы и правильной регуляции жиров, а также для усвоения кальция, является большой проблемой в северных широтах, потому что солнце находится низко над горизонтом в течение всего года, а выше Полярный круг, часть года вообще не светит. В то время как люди в более низких широтах могут получать почти весь необходимый им витамин D, подвергая кожу воздействию ультрафиолетового света, скудное ультрафиолетовое излучение в высоких широтах вынуждает северные народы, такие как сибиряки и инуиты, получать витамин D из животного жира, охотясь на крупных травоядных и морские млекопитающие.
Но младенцы должны получать витамин D из материнского молока, и Глуско утверждает, что усиленное разветвление молочных протоков могло быть способом доставки большего количества витамина D и связанного с ним жира.
Хлуско, который специализируется на эволюции зубов у животных, в частности у приматов и ранних людей, обнаружил эти связи после того, как его попросили принять участие в научной сессии, посвященной расселению современных людей по всей Америке на Американском фестивале в феврале 2017 года. Заседание Ассоциации содействия развитию науки. Готовя свое выступление о том, что зубы могут рассказать нам о заселении Нового Света, она объединила генетику изменчивости зубов с археологическими данными, чтобы переосмыслить наше понимание отбора по форме резцов.
Резцы называются «лопатообразными», когда язычная сторона резцов - режущие зубы в передней части рта, четыре сверху, четыре снизу - имеют гребни по бокам и режущий край. Это характерно для коренных американцев и населения Восточной Азии - Кореи, Японии и северного Китая - с увеличением заболеваемости по мере продвижения на север. Не убежденная ранее предложенной идеей о том, что лопатообразные резцы были выбраны для размягчения шкур животных, она обратилась к объяснениям, не связанным с зубами.
Генетическая мутация, ответственная за лопатообразность, которая возникает по крайней мере в одной из двух копий или аллелей гена EDAR, который кодирует белок, называемый рецептором эктодисплазина А, также участвует в определении плотности потовых желез в коже, толщине волосяных стержней и ветвления протоков молочных желез. Предыдущий генетический анализ живых людей показал, что мутация возникла в северном Китае из-за отбора большего количества потовых или сальных желез во время последнего ледникового периода.
«Ни одно из этих объяснений не является удовлетворительным», - сказал Глуско. «В мире есть несколько действительно жарких мест, и если бы потоотделение было настолько чувствительным к селективному давлению, я могу придумать некоторые места, где мы с большей вероятностью могли бы наблюдать отбор по этой генетической вариации, а не в северном Китае во время последнего ледникового максимума."
Берингийский тупик
Подсказки были получены из статьи 2007 года, а затем из исследования 2015 года, проведенного соавтором Глуско Деннисом О'Рурком, в котором ученые на основе ДНК коренных американцев сделали вывод, что они отделились от других азиатских групп более 25 000 лет назад. хотя они прибыли в Северную Америку всего 15 000 лет назад. Их вывод заключался в том, что предки коренных американцев поселились примерно на 10 000 лет в районе между Азией и Северной Америкой, прежде чем окончательно переселиться в Новый Свет. Этот так называемый берингийский застой совпал с пиком последнего ледникового максимума между 18 000 и 28 000 лет назад.
Согласно гипотезе берингийского застоя, по мере того, как климат становился суше и прохладнее с началом последнего ледникового максимума, люди, жившие в Сибири, переселялись в Берингию. Гигантские ледяные щиты на востоке препятствовали миграции в Северную Америку. Они не могли мигрировать на юго-запад из-за большого пространства безлесной и негостеприимной тундры. Район, где они нашли убежище, был биологически продуктивным регионом благодаря изменившимся океанским течениям, связанным с последним ледниковым периодом, а площадь суши увеличилась в размерах до нижнего уровня моря. Генетические исследования животных и растений региона позволяют предположить, что в то время в Берингии существовал изолированный рефугиум, где возникли виды с местными адаптивными чертами. Такая изоляция созрела для отбора генетических вариантов, которые облегчают выживание растений, животных и людей.
«Если вы возьмете эти данные с зубов, чтобы интерпретировать эволюционную историю этого аллеля EDAR, вы сдвинете кадр выборочного эпизода на неподвижную популяцию Берингии, и это даст вам экологический контекст», - сказал Глуско. «В этих высоких широтах у этих людей был бы дефицит витамина D. Мы знаем, что их диета пыталась компенсировать это из археологических данных, а также потому, что есть доказательства отбора в этой популяции для определенных аллелей генов, которые влияют на синтез жирных кислот. Но еще более конкретно, эти гены модулируют состав жирных кислот в грудном молоке. Похоже, что эта мутация гена EDAR также была выбрана для этой наследственной популяции, и воздействие EDAR на молочные железы является наиболее вероятной мишенью выбора."
Ген EDAR влияет на развитие многих структур, полученных из эктодермы плода, включая форму зубов, потовые железы, сальные железы, молочные железы и волосы. Как следствие, отбор по одному признаку ведет к скоординированной эволюции других. Покойный биолог-эволюционист и писатель Стивен Джей Гулд называл такие побочные продукты эволюции спандрелами.
Эта берингийская популяция является одним из примеров того, что происходило тысячи раз на протяжении миллионов лет: человеческие популяции формируются, существуют некоторое время, а затем рассеиваются, образуя новые популяции, смешиваясь с другими группами людей, все из них сегодня оставляют следы в современных человеческих вариациях», - сказал Глуско. «Важным выводом является то, что вариации человека сегодня отражают этот динамический процесс эфемерных популяций, а не традиционную концепцию географических рас с явными различиями между ними».