Эвелин Эйер - Одиссея генов. Захватывающая история человечества, извлеченная из ДНК

Как выявить давление естественного отбора?

Принцип тут следующий. О том, как давно появился тот или иной вариант гена, можно узнать по длине ДНК вокруг мутации у нескольких индивидов — носителей этой мутации. Когда в геноме образуется мутация, она возникает лишь на одном конце ДНК и передается следующему поколению вместе с прилегающим к ней участком. Но при каждой передаче происходят рекомбинации, разрушающие участок ДНК вокруг мутации. Таким образом, из поколения в поколение длина унаследованного от предков участка ДНК вокруг мутации сокращается. Следовательно, измерив длину участка ДНК вокруг мутации у современных индивидов, можно определить, сколько поколений назад началась передача этой мутации: если фрагмент велик, значит, мутация недавняя, и наоборот — если фрагмент ДНК вокруг мутации короткий, мутация давняя.

В отсутствие естественного отбора на распространение того или иного варианта гена требуется много времени. Но в случае со способностью усваивать молоко мутации, вызывающие толерантность к лактозе, часты, а длина общего участка ДНК указывает на то, что они сравнительно новые. Иначе говоря, мутации участились недавно и произошло это очень быстро. А значит, популяции подверглись сильному давлению отбора.

Исходя из того, какие участки ДНК (общие для носителей этой мутации — см. врезку) окружают мутацию, исследователи подсчитали, что она начала распространяться несколько тысяч лет назад (в Европе — около 5500 лет до н. э.). И эта дата вполне соответствует зарождению скотоводства в разных регионах мира.

Вот какую историю можно восстановить: несколько тысяч лет назад некоторые человеческие популяции перешли к скотоводству и свежее молоко стало важной составляющей их рациона. Взрослые носители мутации, позволявшей усваивать молоко, получили преимущество с точки зрения выживания и размножения. Из поколения в поколение частота мутации возрастала и сегодня достигает 75–80% у народов Северной Европы (например, у финнов и ирландцев), Центральной Европы и некоторых скотоводческих народов Африки (таких, как тутси, туареги и бедуины).

И наоборот: среди китайцев и американских индейцев, которым употребление свежего молока во взрослом возрасте не давало никакого биологического преимущества, частота этой мутации меньше 5%. Сейчас считается, что к лактозе толерантны приблизительно 30% населения мира. Обратите внимание: вовсе не изменения в рационе в сторону большего потребления свежего молока привели к появлению мутаций, позволяющих его усваивать; такие мутации, редкие и бесполезные, встречались и раньше — просто изменение образа жизни превратило их из нейтральных в полезные.

Центральная Азия, где я особенно люблю проводить исследования, хранит еще немало подобных тайн. В этом регионе бок о бок живут скотоводы и земледельцы, и первые употребляют больше молочных продуктов. Многие ли из них толерантны к лактозе? (Напомню, что большей части китайцев эта толерантность не свойственна.) Если да, то новая ли это мутация, отличная от тех, какие наблюдаются в Европе и на Ближнем Востоке? И как давно естественный отбор начал благоволить этой мутации?

В поисках ответа на эти вопросы мы с коллегами организовали экспедицию к казахам. Нас интересовали скотоводы, и наш выбор пал на деревню с преимущественно казахским населением. Этот народ издавна разводит скот, о чем свидетельствуют древние исторические источники (некоторым из них несколько сотен лет). В Казахстане обнаруживаются и самые ранние следы употребления кобыльего молока: около 5000 лет назад его пили представители так называемой ботайской культуры. Что касается земледельцев, для их изучения мы выбрали район Бухары, где жители сел традиционно занимаются земледелием и где археологи нашли следы древних земледельческих поселений.

Из-за особенностей экспедиции мы слегка изменили протокол: помимо обычного сбора ДНК, мы проводили еще и тестирование на способность усваивать лактозу среди взрослого населения. Через сельских врачей мы просили добровольцев приходить с утра натощак. Чтобы наше исследование было достаточно серьезным и заслуживающим доверия, нам предстояло собрать образцы примерно у ста человек из каждой деревни. Но наше оборудование позволяло обследовать в день не более 20 человек. Ежедневно, прежде чем получить согласие каждого из участников, мы объясняли очередной группе добровольцев суть проекта.

Наша первая задача состояла в том, чтобы определить содержание глюкозы в крови натощак. Если уровень глюкозы у кого-то оказывался слишком высоким, что указывало на возможность диабета, мы отстраняли этого человека от участия в исследовании и сообщали об анализах лечащему врачу. Кроме того, у всех участников мы измеряли содержание водорода в выдыхаемом воздухе. После этого каждый принимал по 50 граммов лактозы, растворенной в воде, что соответствует ее содержанию в литре молока. Дело в том, что толерантность к лактозе позволяет усваивать свежее молоко в больших количествах, но чтобы выпивать, к примеру, стакан молока в день, быть толерантным к лактозе совершенно не обязательно.

Через 20 и через 40 минут мы измеряли содержание глюкозы в крови. Если испытуемый толерантен к лактозе, то его фермент преобразует лактозу в глюкозу и мы сможем констатировать пик гликемии. Через 120 и 180 минут мы определяли концентрацию водорода в выдыхаемом воздухе: если человек не усваивает лактозу, то у него в желудке образуются газы и мы установим пик содержания водорода. Именно сочетание двух этих показателей — концентрации водорода в выдыхаемом воздухе и уровня сахара в крови — позволяет определить, толерантен ли человек к лактозе.

Попутно мы предлагали участникам ответить на вопросы об их ощущениях в процессе пищеварения: боль, тяжесть в животе и т. д. Эти ощущения не всегда связаны с толерантностью к лактозе: случается, что физиологически толерантные люди жалуются на тяжесть в желудке, тогда как у других, нетолерантных, какие-либо симптомы отсутствуют. Эта часть исследования была призвана показать, что исключительно по жалобам на боли или вздутие живота нельзя судить о неспособности усваивать лактозу.

Наконец, у каждого участника мы брали несколько миллилитров крови, чтобы извлечь из нее ДНК. Весь процесс занимал немало времени; к счастью, добровольцы проявили терпение и пошли нам навстречу. Чтобы скрасить ожидание, мы общались с ними и показывали парижские фотографии. На следующий день мы через врача связывались с каждым участником и сообщали, есть ли у него толерантность к лактозе. А главное — после недели сбора образцов мы устраивали в каждой деревне банкет для всех участников. Все произносили тосты, каждый в свой черед выражал благодарность, высказывал какие-то мысли. Одна из самых трогательных их услышанных мною фраз процитирована в прологе: «Благодаря вам наша деревня появится на карте мира».