《Nature》扫盲1个常识:人类为什么能消化牛奶?

【字体: 时间:2022年07月28日 来源:Nature

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  这项里程碑式的研究:量化乳糖耐受性的发展。

  

Black and white and brown and white dairy cows are herded down a gravel path out to the fields          


在大多数人进化出成年后喝牛奶而不生病的能力是在之前的几千年,这造就了欧洲奶牛养殖的曙光。现在研究人员认为他们知道原因了:乳糖耐受性只在偶尔发生的饥荒和疾病时才对进化有足够的影响,这解释了为什么这种特性花了数千年才得到广泛传播。

这一理论得到了对数千块陶器碎片和数百个古代人类基因组的分析以及复杂模型的支持,它解释了为什么消化牛奶的能力在现代欧洲人中如此普遍,尽管在早期的奶农中几乎不存在。这种能力被称为乳糖耐受能力,来自一种分解乳糖的酶,通常在幼儿断奶后就会停止。

这项研究于7月27日发表在《Nature》杂志上,瑞士苏黎世大学的分子考古学家Shevan Wilkin说,这是第一次对形成这种特征的力量进行量化的重大努力。“乳糖耐受进化比我们想象的要复杂得多。”

自然选择

消化牛奶的能力在世界各地的古代人中独立进化。研究人员已经将这一特征映射到指示细胞产生高水平乳糖酶的基因变异上。大多数欧洲血统的人携带的变异是人类基因组自然选择的最强例子之一。

然而,科学家们一直在努力解释欧洲乳糖耐受率高的原因。许多人认为,只有在古人开始日常食用乳制品后,这种变异才被证明是有益的。另一种有影响力的理论认为,早期的牛、山羊和绵羊——大约在1万至1.2万年前被驯化——主要用于食用它们的肉,而牛奶的消费则在几千年后才出现。

但是英国布里斯托尔大学的生物地球化学家Richard Evershed和他的团队共同领导了这项最新的研究,他们在可以追溯到动物驯化之初的古代陶器碎片上发现了乳脂残留物。与此同时,古代基因组学研究表明,这些早期的动物饲养者对乳糖不耐受,而对牛奶的耐受在欧洲直到4000 - 5000年前的青铜时代之后才变得普遍。

为了确定欧洲人消化牛奶的能力背后可能的力量,Evershed和他在布里斯托尔的两个同事,化学家Mélanie Roffet-Salque和流行病学家George Davey Smith,以及伦敦大学学院的进化遗传学家Mark Thomas,领导了一个团队,对考古和基因组数据进行了整理。然后,他们利用1700多个古代欧亚人的基因组,模拟了各种因素(如牛奶的使用和人口规模)如何解释乳糖耐受能力的上升。研究小组发现,乳糖耐受性的提高和牛奶消费量的增加之间几乎没有重叠,这是通过欧洲550多个考古遗址的约13000块陶器碎片中存在的牛奶脂肪残留物推断出来的。

Thomas说:“之前所有关于乳糖酶持久性的自然选择优势的假设都把自己与牛奶的使用程度联系在一起。”

另一种解释

在否定了这一观点后,研究人员研究了乳糖耐受性与现代欧洲人喝牛奶之间的关系。在英国生物银行(英国50万人的健康和基因组数据仓库)中,他们发现牛奶摄入量和乳糖耐受性之间几乎没有关联,92%的乳糖不耐受性参与者更喜欢新鲜牛奶。乳糖耐受性对健康或生育没有明显的推动自然选择的好处。

Thomas说,这表明,对于大多数乳糖不耐受的人来说,现在喝牛奶的成本并没有那么高,在古代可能也没有那么高。“如果你是健康的,你会有一点腹泻,你会抽筋,你会放很多屁。这很不愉快,但你不会死。”

但研究人员提出,在很久以前,乳糖不耐受人群喝牛奶的后果可能会更严重,因为那些健康状况不佳的人会因饥荒或感染而喝牛奶。腹泻导致的体液流失会导致营养不良和感染,特别是在卫生条件差的地方。研究人员的模型发现,在暴露于动物病原体和饥荒的古代人群中,乳糖耐受性比暴露于其他被研究的因素中更有可能发生。

因此该研究小组提出,乳糖耐受性的自然选择在饥荒和疾病时期是增压的,此时乳糖不耐受性的个体比那些突然缺乏有益基因变异的人更有可能死亡。

更多的探索

即使人们在困难时期没有死于乳糖不耐受的影响,它也可能使他们比那些能消化牛奶的人更不容易生育,从而使乳糖耐受能力旺盛。但她不确定这是否完全解释了为什么这种特征在早期农耕和青铜时代的一些乳业人口中不存在,或非常罕见,这些人一定暴露在饥荒和感染中。

马萨诸塞州剑桥市哈佛大学的分子考古学家Christina Warinner说,这项研究为过去十年出现的一幅图景提供了数字和证据。现在我们有了一些从哪里开始寻找的想法。”一个重点应该放在中世纪和铁器时代(1000 - 3000年前)的古代人类基因组和其他考古数据上,当时欧洲的乳糖耐受性水平大幅提高。

希望这项研究还将鼓励研究人员重新评估欧洲以外的乳糖耐受性的进化——例如,在非洲,在那里乳糖耐受性进化了几次,以及在中亚和中东。研究人员还需要更好地了解,在乳糖耐受性从未普遍存在的地方,比如蒙古草原,乳制品和牛奶饮用是如何广泛传播的。

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