смогли приспособиться к такому климату – среди них чукчи и эвенки в Сибири, саамы на севере Европы, а также инуиты в Северной Америке и Гренландии. Этим популяциям пришлось адаптироваться не только к морозам, но и к питанию дарами моря, богатому омега-3 полиненасыщенными жирными кислотами: большим содержанием этих кислот отличается мясо тюленей и китов, а также рыба, обитающая в холодных морях. Генетическая основа адаптации к холоду и такой своеобразной диете долго оставалась неизученной. Но в последнее время этому вопросу был посвящен ряд исследований, изучающих изменчивость генома и формы естественного отбора в популяциях, живущих на Крайнем Севере.
Первое исследование, в 2014 году, было проведено на популяциях чукчей, эскимосов и коряков из Восточной Сибири. Секвенируя их геномы и сравнивая их с генетическим материалом других популяций, живущих за полярным кругом, исследователи идентифицировали несинонимическую мутацию в гене CPT1A, которая часто (около 70 %) присутствует в этих популяциях, демонстрируя выраженные сигнатуры положительного отбора. Встречаемость этой мутации быстро выросла в период от 6000 до 23 000 лет назад по причине одного из самых высоких коэффициентов отбора, когда-либо обнаруженных в человеческих популяциях. Та же самая мутация присутствует у 50 % инуитов Канады и Гренландии. Но эта мутация также ассоциируется с гипогликемией и высокой детской смертностью.
Почему же мутация, связанная с вредоносным для человека эффектом и напрямую влияющая на выживаемость, стала объектом положительного отбора? И как она достигла такой высокой распространенности? Ответ заключается в функции белка, кодируемого геном CPT1A, – он транспортирует длинноцепочечные жирные кислоты в митохондрии для дальнейшего использования в реакции окисления. Таким образом эта мутация, пусть и вредоносная, дает популяциям полярных областей преимущество в обмене веществ, позволяющее им усваивать пищу, богатую жирами. Позже мы увидим и другие примеры этого парадокса эволюции – то есть вредных побочных эффектов естественного отбора в прошлом, действующих на здоровье индивидов в настоящем.
Следуя той же логике, два независимых исследования изучили, каким образом инуиты Гренландии адаптировались к окружающей их среде. Первое искало генетические основы диабета второго типа, уровень заболеваемости которым особенно высок в этой популяции. Проведя генетический анализ ассоциаций, ученые идентифицировали мутацию в гене TBC1D4, влияющую на повышение уровней глюкозы и инсулина в крови. Эта мутация встречается с частотой около 20 % у инуитов, но она практически отсутствует у всех других популяций в мире. Хотя и соблазнительно думать, что адаптация к традиционному для инуитов гипогликемическому режиму питания благоприятствовала распространению этой мутации, которая, помимо прочего, влияет на усвоение глюкозы, выбор между двумя гипотезами – влиянием отбора и дрейфом генов – пока остается открытым.
Именно этому вопросу посвящено второе исследование, изучавшее, каким образом естественный отбор участвовал в адаптации инуитов к холодному климату и богатой жирами пище. Если рассматривать целый геном, то наиболее выраженные сигнатуры находятся в области генов, связанных с превращением насыщенных жирных кислот в ненасыщенные (так называемая десатурация) (FADS1-FADS2-FADS3), за которыми следуют два гена (WARS2 и TBX15), влияющие на соотношение обхвата бедра и талии и на дифференциацию адипоцитов[85], что предполагает возможное участие в адаптации к холоду. Что же касается давления отбора на гены FADS, то кажется логичным думать, что оно связано с диетой инуитов, богатой жирными кислотами. Еще более интересен факт, что эти же самые гены сильно влияют на рост и вес, а также препятствуют повышению уровней холестерина и триглицеридов[86]. Этот пример наглядно показывает, как плейотропия (явление, когда один и тот же ген задействован в формировании нескольких фенотипических признаков) может оказывать серьезное влияние на фенотип популяции. Действительно, естественный отбор благоприятствовал мутациям в генах FADS в ответ на режим питания инуитов, но оказалось, что они влияют не только на метаболизм жирных кислот, но и на другие характеристики фенотипа – такие, как маленький рост.
Исследование, проведенное в 2018 году, целенаправленно сосредоточилось на адаптации к холоду, изучая эволюционную историю гена TRPM8 – это единственный известный температурный рецептор, задействованный в распознавании холода и реакции на него с помощью физиологической терморегуляции. Описана мутация гена в его регуляторной области: мы находим в популяциях, живущих в северных широтах, вариант гена TRPM8, который изменяет уровень его экспрессии и имеет признаки положительного отбора. Два доказательства поддерживают предположения об адаптивной природе этой мутации: значительная разница в частоте встречаемости мутации в зависимости от популяции и ее географическое распределение. Ее частота варьируется от 5 % (у нигерийцев) до 88 % (у финнов). И следовательно, ее географическое распространение зависит от широты и от температуры.
Тем не менее, речь идет не о естественном отборе путем классического селективного выметания, но скорее об отборе среди существующего разнообразия. Мутация гена, задействованного в терморегуляции (TRPM8), появилась еще в Африке, где ее эволюция была нейтральной. А вот в Евразии она стала появляться все чаще с началом положительного отбора около 25 000 лет назад, совпавшим по времени с последним ледниковым максимумом. Сравнение этой информации с данными древней ДНК указывает, что мутация распространилась в Европе с очень высокой частотой от 3000 до 8000 лет назад. Но есть и цена, которую пришлось заплатить за адаптацию к холоду: эта мутация также связана с высокой предрасположенностью к мигрени, и этим объясняется значительно большая встречаемость этой болезни в популяциях европейского происхождения.
Что значит расти в тропическом лесу? Влажность и рост
И в завершение нашего визита в зоны с негостеприимным климатом нужно упомянуть тропики: само это слово может погрузить нас в сладкие мечты, но в реальности местный климат от них очень далек. Люди смогли адаптироваться к экстремальному климату северных широт, но им также пришлось сталкиваться и с жарким влажным климатом, и следы этого остались в их геноме – вот еще одна тема, которая увлекла антропологов и генетиков в ходе последнего десятилетия. Наравне с арктическим, климат тропических лесов является одним из самых суровых в мире. Для него характерны высокие температуры, значительный уровень влажности и большое разнообразие возбудителей инфекционных заболеваний. Обитатели тропического леса обычно живут недолго, что напрямую связано с их размножением и проявляется, следовательно, в более сильном воздействии отбора.
Самым характерным фенотипическим признаком обитателей тропического леса является их маленький рост (менее 1,5 метра у взрослых мужчин). Мы встречаем этот «фенотип пигмея» у отдельных популяций охотников-собирателей на всей территории Африки, а также в Азии и Южной Америке. Среди всех этих популяций выделяются охотники-собиратели эфе, населяющие тропический лес провинции Итури Демократической Республики Конго: они обладают самым низким ростом – для женщин средний рост составляет 136 сантиметров, а для мужчин 143 сантиметра.
Как