Ученые обнаружили, что высоко в горах Непала среди людей прямо сейчас происходит естественный отбор. Физиологические черты, помогающие тибетским женщинам выживать в условиях высокогорья, отбираются внутри популяции, а это значит, что они могут стать более распространенными. Жители Папуа-Новой Гвинеи, которые на протяжении тысячелетий были генетически изолированы, являются носителями уникальных генов, которые помогали им бороться с инфекциями, и некоторые из этих генов происходят от наших вымерших человеческих кузенов — денисовцев. За последние 3000 лет естественный отбор оказал влияние на сотни человеческих генов.
Физиологические черты, помогающие тибетским женщинам выживать в условиях высокогорья, отбираются внутри популяции, а это значит, что они могут стать более распространенными, как свидетельствуют новые исследования.
Новое исследование предполагает, что, по сравнению со своими сверстниками, этнические тибетские женщины, которые физиологически лучше приспособлены к жизни в условиях низкого содержания кислорода на больших высотах, рожают больше детей. Это намекает на то, что эти полезные черты в настоящее время «отбираются», то есть существует эволюционное давление, чтобы передать их следующему поколению.
Другими словами, происходит естественный отбор.
Исследователи представили свои выводы в исследовании, опубликованном 21 октября в журнале PNAS. В исследовании приняли участие более 400 женщин в возрасте от 46 до 86 лет, проживающих в деревнях, расположенных в районе Верхний Мустанг в Непале на границе с Тибетом. Деревни расположены на высоте от 11 500 до 13 500 футов (от 3500 до 4100 метров) над уровнем моря.
Люди, живущие на большой высоте, сталкиваются с суровыми условиями окружающей среды, включая низкое давление воздуха, которое снижает количество кислорода, доступного в организме. Эти низкие уровни кислорода могут привести к тому, что ткани перестанут функционировать, что приведет к таким симптомам, как спутанность сознания и затрудненное дыхание. В более тяжелых случаях этого состояния, называемого гипоксией, у людей могут развиться смертельные заболевания, такие как острая горная болезнь или высотный отек мозга, при котором мозг опухает.
Низкокислородная среда особенно сложна для беременных женщин на больших высотах из-за повышенного риска преэклампсии, потенциально фатального состояния артериального давления, и более вероятно рождение детей с низким весом при рождении. Таким образом, в популяциях, живущих на больших высотах, может быть сильное селективное давление на признаки, которые помогают повысить выживаемость, как во время, так и после беременности.
Предыдущие исследования показали, что у тибетцев есть физиологические черты и версии генов, которые помогают им выживать в среде с низким содержанием кислорода легче, чем людям без этих характеристик. В новом исследовании ученые хотели выяснить, могут ли они связать эти генетические и физиологические черты с репродуктивным успехом, чтобы показать, что эволюция происходит посредством естественного отбора в этих популяциях.
В биологии «репродуктивный успех» обычно измеряется путем подсчета того, сколько потомков произвел организм, поскольку это отражает количество раз, когда они передавали свои гены. Поэтому исследователи записали, сколько детей родили женщины в этих деревнях. Они также провели различные физиологические измерения и проанализировали ДНК женщин.
Они обнаружили, что женщины, которые родили больше всего детей, имели типичные уровни гемоглобина — элементов крови, отвечающих за транспортировку кислорода. Но их гемоглобин был способен переносить больше кислорода, чем у женщин, которые родили меньше детей.
Более того, у женщин с большим количеством детей приток крови к легким был больше. А их левые желудочки — камера сердца, которая качает насыщенную кислородом кровь по телу — были шире, чем у женщин с меньшим количеством детей. Более широкий желудочек означает, что больше насыщенной кислородом крови может попасть в ткани человека за один удар сердца.
В отдельном анализе исследователи обнаружили, что около 80% женщин в исследовании несли версию гена, известного как EPAS1, который, как считается, снижает концентрацию гемоглобина в крови . Это может показаться нелогичным, поскольку низкий уровень гемоглобина означает, что вы не можете переносить столько же кислорода в крови. Однако слишком высокий уровень гемоглобина может сгущать кровь, делая людей уязвимыми к развитию состояния, известного как хроническая горная болезнь .
Тот факт, что вариант EPAS1 настолько распространен, говорит о том, что существует большая нагрузка на передачу этой версии гена из поколения в поколение.
Жители Папуа-Новой Гвинеи, генетически изолированные на протяжении 50 000 лет, несут в себе гены денисовцев, которые помогают их иммунной системе, свидетельствуют исследования.
Гены, унаследованные от денисовцев, вымерших родственников человека, могут помогать жителям Папуа-Новой Гвинеи, живущим в низинах, бороться с инфекциями, в то время как мутации эритроцитов могут помогать жителям горных районов жить на высоте.
Жители Папуа-Новой Гвинеи, которые на протяжении тысячелетий были генетически изолированы, являются носителями уникальных генов, которые помогали им бороться с инфекциями, и некоторые из этих генов происходят от наших вымерших человеческих кузенов — денисовцев.
Исследование также показало, что у жителей гор и низин развились разные мутации, которые помогли им адаптироваться к совершенно разным условиям окружающей среды.
«Жители Новой Гвинеи уникальны, поскольку они были изолированы с тех пор, как поселились в Новой Гвинее более 50 000 лет назад», — рассказал в электронном письме Live Science один из старших авторов исследования Франсуа-Ксавье Рико, биологический антрополог из Французского национального центра научных исследований (CNRS).
Не только преимущественно горная местность островного государства является особенно сложной, но и инфекционные заболевания являются причиной более 40% смертей.
Поэтому местным жителям пришлось найти биологическую и культурную стратегию адаптации, а это значит, что население Папуа-Новой Гвинеи представляет собой «фантастический коктейль» для изучения генетической адаптации, сказал Рико.
Современные люди впервые прибыли в Папуа-Новую Гвинею из Африки около 50 000 лет назад. Там они скрещивались с денисовцами, которые жили в Азии десятки тысяч лет. В результате этого древнего скрещивания в геномах жителей Папуа-Новой Гвинеи содержится до 5% денисовской ДНК.
В новом исследовании, опубликованном 30 апреля в журнале Nature Communications, ученые проанализировали геномы 54 жителей гор с горы Вильгельм, проживавших на высоте от 7500 до 8900 футов (от 2300 до 2700 метров) над уровнем моря, и 74 жителей равнин с острова Дару, проживавших на высоте менее 330 футов (100 метров) над уровнем моря.
Они обнаружили, что мутации, которые жители низин, вероятно, унаследовали от денисовцев, увеличили количество иммунных клеток в их крови. У горцев, тем временем, развились мутации, которые увеличили количество эритроцитов в их крови, что помогает снизить гипоксию на высоте. Это не является чем-то необычным, так как люди из нескольких других высокогорных сред развили различные мутации для борьбы с гипоксией.
Варианты генов денисовцев могут влиять на функцию белка GBP2, который помогает организму бороться с патогенами, которые встречаются только на более низких высотах, например, с паразитами, вызывающими малярию. Таким образом, эти гены могли быть отобраны в ходе эволюции, чтобы помочь людям бороться с инфекцией на более низких высотах, где патогены распространены, заявила команда.
В дальнейшем команда хочет выяснить, как эти мутации вызывают изменения в крови жителей Папуа-Новой Гвинеи, сказал Рико. Чтобы это расшифровать, им нужно будет исследовать, как эти мутации влияют на активность генов, в которых они обнаружены.
За последние 3000 лет естественный отбор оказал влияние на сотни человеческих генов. Новое исследование показывает, что человеческая изобретательность не освободила нас от сил эволюции.
Новые исследования показывают, что естественный отбор — эволюционный процесс, определяющий, какие черты становятся более распространенными в популяции, — действовал на нас в течение последних 3000 лет, вплоть до наших дней.
И, похоже, он удивительным образом влияет на сложные признаки, кодируемые несколькими генами, например, те, которые связаны с интеллектом, психическими заболеваниями и даже раком.
В естественном отборе гены, которые обеспечивают какое-то преимущество в выживании или репродуктивности, передаются и сохраняются в популяции, в то время как те, которые приводят к снижению выживаемости или меньшему количеству потомства, становятся менее распространенными. Нет никаких сомнений в том, что естественный отбор сформировал эволюцию людей в нашем более далеком прошлом. Но влияние естественного отбора в недавнем прошлом — гораздо более спорный вопрос.
Новое исследование предполагает, что естественный отбор действительно является важным фактором в современную эпоху, хотя методы, использованные в исследовании, уже приводили к ошибкам, сказал Джон Новембре, вычислительный биолог из Чикагского университета, который не участвовал в новом исследовании. Это означает, что результаты не следует воспринимать как последнее слово в современном естественном отборе
Новое исследование фокусируется на признаках, которые возникают из комбинации нескольких вариантов генов, таких как интеллект и пигментация кожи. Сложная генетика этих признаков затрудняет расшифровку действия отдельных генов. Чтобы обнаружить эти тонкие эффекты, исследователи проводят исследования ассоциаций по всему геному (GWAS), в ходе которых они сканируют генетические маркеры по всему геному, чтобы найти короткие генетические последовательности, которые чаще встречаются в определенных признаках, чем в других.
Эти результаты может быть сложно интерпретировать, даже сравнивая людей в один момент времени. Новые исследования повышают ставки, рассматривая не только гены, связанные со сложными признаками, но и признаки естественного отбора по этим признакам. По сути, гены, которые становятся более распространенными с течением времени, находятся под положительным отбором: они полезны в некотором роде и, таким образом, с большой вероятностью передаются. Гены, которые становятся менее распространенными с течением времени, находятся под отрицательным отбором. Они каким-то образом вредны для выживания или воспроизводства и, таким образом, с меньшей вероятностью передаются.
В своем исследовании, опубликованном 15 ноября в журнале Nature Human Behaviour, ученые обнаружили в общей сложности 755 признаков, демонстрирующих признаки отбора за последние 2000–3000 лет.
Для современных образцов исследователи использовали данные людей европейского происхождения из британского BioBank, хранилища генетических и медицинских данных 500 000 участников. Чтобы глубже изучить историю, исследователи также использовали три набора данных древней человеческой ДНК из донеолитического, неолитического и после появления сельского хозяйства на Ближнем Востоке, в общей сложности 512 человек. Исследователи рассматривали три временных периода: современная эпоха, последние 2000–3000 лет и примерно до 100 000 лет назад. Самые старые данные являются самыми ненадежными, сказал руководитель исследования Гуань Нинь Лин, профессор в школе биомедицинской инженерии в Шанхайском университете Цзяотун.
Хотя исследователи имели подробную информацию о здоровье и образе жизни из UK BioBank, у них была только частичная генетика для более старых образцов и не было прямой информации о таких вещах, как количество детей у человека или то, что он ел. Таким образом, они использовали сами гены, чтобы вывести признаки. Если ген, который, как известно, участвует в росте, увеличивался в частоте с течением времени, исследователи воспринимали это как сигнал о том, что рост мог находиться под положительным естественным отбором.
Признаки, которые, по-видимому, подвергались отбору, варьировались от признаков кожи, таких как «легкость загара», до различных измерений тела. Несколько удивительно, что гены, связанные с некоторыми, казалось бы, нежелательными признаками, со временем стали более распространенными, включая гены, связанные с такими состояниями, как рак кожи, воспалительное заболевание кишечника и нервная анорексия. Это говорит о том, что некоторые из этих расстройств возникают как побочные эффекты генов, которые полезны по другим причинам, предположили исследователи.
Линга и его коллег больше всего интересовал вопрос, почему расстройства со сложной генетикой, такие как шизофрения или синдром дефицита внимания и гиперактивности (СДВГ), сохраняются, несмотря на естественный отбор.
Одна из самых больших проблем — это то, что называется «стратификация». Различия между двумя популяциями могут казаться генетическими, когда на самом деле они являются экологическими. Поскольку GWAS не может показать, что ген вызывает признак, а только то, что они связаны, результаты могут быстро стать странными. Если использовать классический пример из статьи 1994 года, навыки использования палочек для еды явно не являются даром ДНК: это вопрос практики с раннего возраста. Но исследование GWAS в разнообразной популяции, такой как Сан-Франциско, может очень легко обнаружить доказательства генов, связанных с навыками использования палочек для еды, просто выявив гены, которые чаще встречаются в популяциях Восточной Азии, чем в европейских популяциях.
Эта ошибка действительно имела место. За последнее десятилетие появилось несколько статей, в которых утверждалось, что вариации генов, отвечающих за рост, более распространены в Северной Европе, чем в Южной, и что естественный отбор подталкивает северных европейцев становиться в среднем выше, согласно исследованию, опубликованному в 2012 году в журнале Nature Genetics.
Но оказалось, что влияние этих генетических вариантов было переоценено, сказал Новембре. При рассмотрении тех же самых генетических вариантов в менее разнообразных популяциях (стратегия снижения проблемы стратификации) доказательства естественного отбора исчезли. Исследование выявило до сих пор неизвестные различия в окружающей среде между северными и южными европейцами и ошибочно приняло их за что-то чисто генетическое. Исследователям пришлось полностью переосмыслить результаты, и они до сих пор не уверены в том, имеет ли естественный отбор какое-либо отношение к разнице в росте по всей Европе, согласно статье 2019 года в журнале eLife.
Использование данных людей только европейского происхождения помогает ограничить проблему стратификации. Но все еще есть возможности для возникновения проблемы стратификации.
Среди сотен черт, которые, как обнаружили исследователи, могут быть подвержены естественному отбору, несколько выделялись. Сосредоточившись на современных данных, исследователи обнаружили, что более высокий IQ был связан с большим количеством сексуальных партнеров, но меньшим количеством детей. Между тем, СДВГ и шизофрения также были связаны с большим количеством сексуальных партнеров. Эти два состояния являются примерами черт, которые могут быть проблемой в повседневной жизни, но улучшают успех в спаривании.
Оглядываясь на более чем 100 000 лет истории человечества, исследователи обнаружили, что черты, связанные с тоном кожи и размерами тела, были наиболее распространенными для проявления давления отбора. К ним относятся такие вещи, как размеры лица, рост и длина туловища. Например, гены, связанные с формой и размером лица, по-видимому, находились под естественным отбором в течение последних 100 000 лет, обнаружили исследователи, что может быть связано с изменениями челюсти и черепа, связанными с диетой и ростом мозга.
Оглядываясь назад на 3000 лет назад, исследователи обнаружили, что воспалительные заболевания кишечника, по-видимому, благоприятствовались естественному отбору. Это может быть примером черты, которая полезна в одном контексте и вредна в другом, сказал Линь.
Но может быть очень сложно показать, почему конкретная черта связана с эволюционным успехом. Если использовать рост в качестве примера, высокий рост может принести пользу воспроизводству, сделав кого-то более привлекательным для потенциальных сексуальных партнеров. Или, может быть, рост — это просто побочный эффект эффективного метаболизма, который повышает показатели выживаемости, и что повышенная вероятность дожить до репродуктивного возраста может привести к передаче генов следующему поколению. Если гены имеют тенденцию меняться вместе — а многие так и делают — естественный отбор может действовать на совершенно иную черту, а не на ту, которая кажется наиболее интуитивно понятной. Например, варианты, которые облегчают загар кожи, которые в новом исследовании оказались высокоселектированными, вероятно, связаны со многими другими чертами, такими как частота рака кожи, веснушки и цвет волос. Трудно понять, какой именно путь ведет к тому, что кто-то достигает репродуктивного возраста, привлекает фертильного партнера и имеет много детей, а какие гены являются просто удачливыми прихлебателями в этом процессе.
Усложняя ситуацию, бывают случаи, когда генетика признака может быть полностью подавлена окружающей средой. Нечто подобное теоретически может произойти с человеческим интеллектом. IQ частично наследуется, поэтому, если правда, что у людей с более высоким IQ меньше детей, это, возможно, со временем снизит коллективный IQ популяции. Но если окружающая среда станет более благоприятной для развития мозга — лучшее питание, снижение содержания свинца или других загрязняющих веществ — популяция вполне может стать умнее.
Один из подходов к определению естественного отбора будет сочетать крупномасштабный GWAS с исследованиями геномов отдельных семей. Члены семьи, особенно братья и сестры, обычно растут в довольно схожих условиях, поэтому легче сказать, когда гены влияют на тот или иной признак. Эти семейные исследования можно использовать для проверки утверждений, полученных из больших выборок GWAS, выясняя, какие гены все еще оказывают влияние, если убрать из уравнения как можно больше факторов окружающей среды.
Ученые планируют провести семейные исследования, чтобы узнать больше о генетике сложных состояний, таких как шизофрения. Они также работают над количественной оценкой генетических вариантов, которые могут одновременно вызывать как полезные, так и вредные эффекты, сказал он. Результаты нового исследования являются отправной точкой и напоминанием о том, что естественный отбор по-прежнему является силой в биологии человека.
