Солнечный свет, горные вершины и микробы
По мере расселения людей по всей планете, из-за постоянных изменений климата древние колонизаторы сталкивались с невиданными прежде трудностями. Наши предки по-разному приспосабливались к новой среде обитания. Некоторые адаптации были физиологическими – приспособления, развивающиеся в течение жизни людей, другие же были связаны с перестройкой генов – настоящий материал для эволюции. Сочетание обоих типов адаптаций позволяло человеку выживать и процветать в сложнейших условиях. Чем дальше на север отправлялись наши предки, тем с более переменчивой средой они сталкивались, поскольку в высоких широтах отчетливо видна смена сезонов. Летом дни были долгими, а зимой – короткими, и ценный солнечный свет был редкостью. Для нашего с вами организма свет солнца действительно представляет большую ценность. В погожие дни у нас не только поднимается настроение, а меняется метаболизм: как только мы оказываемся на солнце, наша кожа начинает активно вырабатывать витамин D. Точнее, в коже производное холестерина начинает превращаться в витамин D, а затем печень и почки завершают процесс, добавляя водород и кислород для активации витамина.
Важность витамина D для человеческого организма открылась ученым в начале XX века, когда исследователи пытались выявить причины и найти лечение болезни, вызывавшей повреждение костей у детей, – рахита. Несомненно, индустриализация Европы была важнейшим шагом вперед с точки зрения технологий и изменила жизнь многих людей к лучшему, однако она также стоила многим жизни. Перенаселенные города, работа на фабриках, затянутое смогом небо – все это оставило неизгладимый след на здоровье детей промышленной революции. У них был нарушен рост и мягкие молодые кости часто деформировались. Рахит вызывал серьезные опасения, однако причины его возникновения оставались неизвестными до 1918 года, когда британский врач Мелланби выяснил опытным путем, что у собак заболевание появляется, если их держать в помещении и кормить кашей, при этом заболевание можно было вылечить, давая животным рыбий жир. В следующем году немецкий исследователь Гульдчинский обнаружил, что облучение страдающих рахитом детей ультрафиолетом позволяло избавиться от заболевания. Появились и другие исследования, подтверждающие, что рахит можно предотвратить при употреблении различных продуктов – растительного масла, яиц, молока, – облученных ультрафиолетом. Сами того не подозревая, ученые превращали холестерин и растительные стеролы в провитамин D. Когда наконец была открыта химическая природа данного вещества, химики смогли начать синтез витамина D: тогда и появилось лекарство от рахита. Его создатель, немецкий химик А. Виндаус, в 1928 году получил Нобелевскую премию за свое открытие.
Тем не менее по-прежнему оставалось неясным, каким образом витамин D оказывает такое волшебное влияние на кости. В течение последующих десятилетий XX века все исследования в основном были направлены на изучение процесса циркуляции данного витамина в организме человека. Оказалось, что витамин D действует как гормон: сразу после активации в почках он с кровотоком попадает в кишечник и передает сигнал: «Нужен кальций!» Но витамин D также выполняет множество других функций; к 1980-м годам было установлено, что помимо влияния на метаболизм кальция и процесс формирования костей он также играет важную роль в иммунной системе. Недостаток витамина D повышает риск развития аутоиммунных заболеваний (когда армии вашей иммунной системы открывают огонь по «своим» или даже поднимают бунт), включая диабет, заболевания сердца и некоторые виды рака. Для нормального функционирования организму требуется совсем незначительная доза витамина D, примерно 30 нанограммов на миллилитр крови. Хотя некоторое количество витамина D человек получает с пищей, около 90 % всего витамина D вырабатывается в коже при попадании на нее солнечных лучей.
Несомненно, солнечный свет, в частности входящие в его состав ультрафиолетовые лучи, потенциально опасны для здоровья. В коже человека содержится несколько компонентов, действующих как естественная защита от солнца, один из них – пигмент меланин. Если вы проводите на солнце больше времени, чем обычно, в вашей коже вырабатывается больше меланина – так появляется загар. Причем такой механизм действует не только у людей со светлой кожей, более смуглые тоже загорают. Первые современные люди, переселившиеся в Евразию, скорее всего, имели темный тон кожи, отлично подходивший для их родной среды обитания. В солнечном климате большое количество меланина в коже помогает избежать солнечных ожогов, поэтому логично, что естественный отбор действовал в пользу более темного цвета кожи в экваториальных широтах. В то же время в тропиках через этот барьер проникает достаточное количество ультрафиолетового излучения, чтобы в коже происходил фотохимический синтез витамина D. Однако в менее солнечном климате темный тон кожи будет слишком эффективно препятствовать поглощению ультрафиолета, так что организм не сможет производить витамин в необходимом объеме. Дефицит витамина D приводит к серьезным последствиям, от неправильного функционирования иммунной системы до рахита, поэтому будет действовать естественный отбор: в северных широтах люди с более светлым тоном кожи получают важное преимущество для выживания и воспроизведения себе подобных, а значит, более велика вероятность, что они передадут свои гены потомству. Таким образом, любая случайная мутация, влияющая на производство меланина и обеспечивающая более светлый тон кожи, должна распространяться в популяции. По всей видимости, именно это и происходило. Чем дальше на север – тем бледнее цвет кожи у местных жителей. Как обитатели севера Европы, так и их соседи с севера Азии прошли через этот процесс адаптации к меньшему количеству солнечного света – однако за счет разных мутаций. Классический случай конвергентной эволюции: один и тот же результат достигается разными способами.
«Гипотеза витамина D», согласно которой бледный цвет кожи развился в результате приспособления к дефициту солнечного света в северных широтах, представляется весьма логичной. Тот факт, что сегодня у темнокожих людей, живущих в Великобритании и Северной Америке, чаще наблюдается дефицит витамина D, чем у светлокожих жителей тех же регионов, подтверждает данное предположение. Однако стройная теория была разрушена после тщательного измерения уровня содержания витамина D в организме живущих ныне людей. Исследования, в которых изучали зависимость концентрации витамина от количества поглощенных солнечных лучей, показали удивительные и неожиданные результаты. Как и предполагалось, чем больше времени человек проводит на солнце, тем выше содержание у него витамина D (до некоторых пределов). Ношение покрывающей кожу одежды ожидаемо вызывало снижение концентрации данного вещества в кровотоке. А вот при нанесении тонкого слоя солнцезащитного крема, предотвращающего ожоги, интенсивность синтеза витамина D не уменьшалась. То же самое происходило и в случае более темного тона кожи. Как ни странно, у темнокожих и светлокожих участников эксперимента, подвергавшихся одинаковому воздействию солнечного света, не наблюдалось различий в выработке витамина D.
Данное исследование позволяет заключить, что у темнокожих людей витамин D вырабатывается так же эффективно, как и у светлокожих. На первый взгляд, это открытие может обрушить все наши теории об эволюции цвета кожи человека. Но нужно найти объяснение нескольким любопытным наблюдениям: по мере продвижения на север цвет кожи коренного населения действительно становится более бледным, а люди с темной кожей на самом деле больше страдают от недостатка витамина D в северных странах.
Первый факт заставляет нас задаться вопросом о том, как происходят эволюционные изменения, а они не всегда связаны с полезной мутацией генов. Иногда подобные изменения вызываются практически нейтральными с точки зрения естественного отбора мутациями, которые распространяются в популяции в результате процесса, который называется дрейфом генов. По сути своей, это процесс, основанный на случайности. Возможно, по мере миграции наших предков на север сильное давление отбора по такому признаку, как темная кожа – защищающая от солнечных ожогов и рака кожи, – постепенно ослабевало. В таком случае мутации, вызывавшие более светлый тон кожи, больше не отбраковывались и могли распространиться благодаря дрейфу генов. Помимо прочего, не наблюдается равномерного изменения цвета кожи в сторону более светлого оттенка при движении от экватора на север, бледный тон кожи появился – и, вероятно, довольно поздно – лишь у популяций на самом севере Европы и Азии. Остальную часть Европы и Азии населяют люди, чей цвет кожи никак не связан с географической широтой. Еще один недостаток «гипотезы витамина D» заключается в том, что не так уж много костных останков, относящихся к периоду до промышленной революции, имеют признаки рахита.
Но что насчет темнокожих людей, которые сегодня живут, например, в Великобритании и США, и проблемы дефицита витамина D? Ответить на данный вопрос помогло исследование, в рамках которого участники должны были заполнить подробную анкету о том, чем они занимаются в солнечную погоду. Оказалось, что светлокожие респонденты бегут на улицу, лишь стоит показаться солнцу, в то время как темнокожие люди предпочитают оставаться дома. В регионах, где много солнца, вероятно, это неплохая стратегия, однако на севере, где солнце появляется реже и светит меньше, лучше всего не упускать ни единого солнечного дня, особенно в зимний период. Первые современные люди – охотники-собиратели времен палеолита – неизбежно проводили большую часть времени на улице (точнее, снаружи хижины), и делали это каждый день круглый год. В таком случае более темный тон кожи действительно может представлять собой адаптацию к интенсивному воздействию солнца в экваториальных широтах, однако противоположный вариант – более светлая кожа как приспособление к северным широтам – не выдерживает критики. Тем не менее в метаболизме витамина D происходят и менее очевидные изменения, которые как раз и могут отражать адаптацию к более северному климату. В геноме жителей северной части Европы имеются мутации, способствующие повышению уровня провитамина D в организме, в то время как у людей с более темной кожей есть мутации, вызывающие улучшение поглощения и переноса витамина D внутри организма. В который раз более простая, лежащая на поверхности теория уступила место сложному обоснованию реальности, благодаря привлечению данных эпидемиологии и генетики. Тем более что в последнее время история адаптации человека к обитанию в различных широтах стала более интересной и менее очевидной, менее черно-белой, так сказать.