7.3. Генетические различия между группами современных людей

7.3.1. Расы

Классификация рас. Все люди, живущие в настоящее время, принадлежат к одному виду; любые браки между ними дают плодовитых потомков. Получить же достоверный ответ на вопрос о том, были ли какие-либо древние формы человека, например неандертальский человек, представителями вида Homo sapiens, невозможно. Вид Homo sapiens разделен на популяции, которые обычно называют расами. Раса - это большая популяция индивидов, у которых значительная часть генов общая и которую можно отличить от других рас по общему для нее генофонду. В давние времена представители одной расы часто жили вместе в сходных социокультурных условиях. Понятие "раса" перекрывается с другими понятиями, применяемыми для обозначения меньших по размеру популяционных единиц, например с понятием "дем". Классификация и история рас составили одно из основных направлений исследований в области классической антропологии, проводившихся в XIX и особенно в начале XX веков. Предлагавшиеся ранее классификации основывались на соответствующих зрительных впечатлениях и на анализе статистических распределений антропометрических признаков. По мере развития генетики человека для этого все шире стали использоваться данные о частотах полиморфных генетических маркеров. Классификации разных авторов несколько различаются в деталях [41]; однако подразделение человечества на негроидов, монголоидов и европеоидов не вызывает никаких сомнений. К этим трем большим расам нередко добавляют две меньшие группы, а именно койсанидов или капоидов (бушменов, и готтентотов) и австралоидов (австралийских аборигенов и негритосов).

Генетические различия между расами. Приведенное здесь определение расы является генетическим, и поэтому было бы желательно построить расовую классификацию на основе признаков, хорошо изученных на генном уровне. Можно выделить несколько групп таких признаков.

Многие гены функционируют у всех человеческих существ, проявляя, возможно, лишь небольшие количественные различия в уровне экспрессии. Например, у каждого человека есть гены, детерминирующие структуру ферментов, необходимых для осуществления множества основных метаболических процессов. Необычные индивиды - носители редких мутаций, изменивших эти гены, страдают от врожденных ошибок метаболизма. Многие гены, принадлежащие этой группе, имеются и у других живых существ.

Есть признаки и, следовательно, детерминирующие их гены, общие для всех или почти для всех представителей какой-то одной расы; у индивидов иных рас они отсутствуют. Число таких признаков, по-видимому, очень невелико; с генетической точки зрения они охарактеризованы плохо. Один из примеров признаков такого рода-вертикальная складка верхнего века у монголоидов.

К третьей группе признаков следует отнести такие, которые встречаются только у одной из трех основных рас, а у представителей двух остальных отсутствуют. Эта группа включает большое число маркеров генов, составляющих множество хорошо охарактеризованных систем генетического полиморфизма (табл. 7.5). Один из таких признаков - выявляемый при анализе крови фактор Диего [1944-1946]. Эта группа крови была обнаружена в 1953 г. у представителей четырех поколений одной венесуэльской семьи; при этом было показано, что у большинства белых людей фактор Диего отсутствует. Фенотипические частоты этого фактора, полученные при изучении популяций американских индейцев, варьируют от 0,025 до 0,48. В популяциях белых и негров соответствующий аллель не обнаружен вообще. С другой стороны, у монголоидов, например японцев и китайцев, он встречается, хотя и с более низкой средней частотой. Эти данные подтверждают предположение, выдвинутое в классической антропологии, согласно которому американские индейцы являются частью большой монголоидной расы.

Таблица 7.5. Частоты генов в Атлантической и Тихоокеанской популяциях [1955]

Существует еще один класс признаков, которые в одних популяциях встречаются чаще, чем в других. К ним относятся признаки и аллели, имеющиеся у всех человеческих рас, но встречающиеся в них с разными частотами. К этому классу принадлежат, например, аллели большинства систем генетического полиморфизма и гены, детерминирующие количественные признаки, такие, как рост, пропорции тела и физиологические функции. Полиморфные аллели все шире используются в исследованиях, предпринимаемых с целью охарактеризовать различные популяции с генетической точки зрения. Благодаря этому появилась возможность достаточно объективно классифицировать популяции. Результаты работ, посвященных указанной проблеме, обобщены в монографии Муранта [144]. Имеющиеся данные свидетельствуют о сходстве частот некоторых гомологичных генов в разных популяциях и о том, что построение расовых классификаций - задача непростая: внутригрупповые различия между представителями любой расовой группы часто превышают различия между представителями разных больших рас (монголоидами, негроидами и европеоидами).

Как протекала эволюция, приведшая к возникновению генетических различий между расами? Главным фактором эволюции фенотипов и, в частности, главным фактором расогенеза является естественный отбор, обусловливающий адаптацию к различным условиям окружающей среды. Для того чтобы отбор, приводящий к возникновению генетических различий (например, между большими расами), был эффективным, необходима значительная репродуктивная изоляция субпопуляций. Существовал ли период в ранней истории человечества, когда популяция людей была подразделена на три более или менее изолированные субпопуляции?

На протяжении большей части последнего ледникового периода (около 100000 лет назад) громадная площадь поверхности Земли была покрыта льдом (рис. 7.11). Гималайские и Алтайские горы с расположенными на них ледниками разделяли евразийский континент на три области, создавая тем самым условия для раздельной эволюции белых на западе, монголоидов на востоке и негроидов на юге. Современные области расселения трех больших рас не совпадают с теми областями, в которых они формировались; это несоответствие может объясняться миграционными процессами [57].

Рис. 7.11. Евразийский континент около 100000 лет назад. Видны три области, почти полностью отделенные друг от друга Гималайскими и Алтайскими горами и расположенными на них ледниками [57]

Генетические различия, обусловленные действием определенных селективных механизмов: пигментация кожи и облучение. Наиболее заметные различия между большими расами - это различия по пигментации кожи. Большинство современных приматов имеют темную пигментацию, и поэтому есть основания предполагать, что популяции древнего человека также состояли из темнокожих индивидов, особенно если учесть, что первые люди возникли в Африке. Почему же тогда столь слабо пигментирована кожа белых и монголоидов?

Согласно одной правдоподобной гипотезе, в местах расселения этих двух рас произошла адаптация людей к низкому уровню ультрафиолетового (УФ) облучения. УФ-свет участвует в происходящем в коже человека превращении провитамина D в витамин D (рис. 7.12). Витамин D в свою очередь необходим для классификации костей; его нехватка приводит к рахиту. Одно из наиболее опасных проявлений рахита - это деформация таза, нарушающая нормальные роды, что в условиях жизни первобытных людей часто приводило к смерти матери и ребенка. Этот эффект, очевидно, порождает сильное давление отбора. На рис. 7.13 приведена карта, отражающая степень пигментации кожи людей и интенсивность облучения УФ-светом в разных районах мира [1986].

Рис. 7.12. Образование в коже активного витамина D из провитамина под действием ультрафиолетового света

Рис. 7.13. Интенсивность ультрафиолетового света и степень пигментации кожи туземного населения в различных районах мира. Приведенные числа - это средние величины интенсивности солнечной радиации, падающей на горизонтальную плоскость на поверхности земли (средние за 24 ч годовые значения, выраженные в мВт × см^-2) [1986; 1957]

Из этой гипотезы вытекает, что в слабопигментированную кожу УФ-излучение проникает легче, чем в сильнопигментированную, и, следовательно, при одинаковых дозах УФ-облучения в светлой коже образуется больше витамина D, чем в темной. Такой вывод подтверждается данными, полученными на свиньях. Существует порода свиней, у которых средняя часть туловища сильно пигментирована, тогда как остальная кожа почти лишена пигмента. Образование витамина D после УФ-облучения in vitro в непигментированной коже оказалось выше, чем в пигментированных участках того же животного (рис. 7.14). Зависимость между географической локализацией популяции и пигментацией кожи ее членов не подтверждается в двух случаях - для эскимосов и африканских пигмеев. Обе популяции, особенно последняя, состоят из темнокожих индивидов, хотя и в арктических районах, и на земле под пологом влажного тропического леса УФ-излучение сравнительно слабое. Эскимосы, по-видимому, получают нужное количество витамина D из рыбьей и тюленьей печени, а пигмеи - из личинок насекомых, составляющих часть их рациона [1917].

Рис. 7.14. Образование витамина D (мг/см² кожи: ордината) у свиней после облучения УФ-светом (S 300; расстояние 50 см). По оси абсцисс отложено время облучения. Скобками отмечены стандартные отклонения средних значений [1901]

Частота аллеля Fy^- у негров. Было обнаружено, что аллель Fy^- очень распространен среди негров, но очень редко или совсем не обнаруживается у монголоидов и белых. Индивиды, несущие этот аллель, устойчивы к возбудителю трехдневной лихорадки Plasmodium vivax [1952]. Малярия данного вида сама по себе редко приводит к смертельному исходу. Следовательно, селективное преимущество носителей аллеля Fy^- не очевидно. Однако в первобытных условиях жизни в популяции, подвергающейся воздействию большого числа патогенных микроорганизмов и паразитов, малярийная инфекция может представлять серьезную опасность для здоровья людей.

Открытие того факта, что группа крови Даффи (Duffy) имеет отношение к функционированию рецепторов для Plasmodium vivax, имеет очень важное значение. В этом случае выяснение биологической роли системы эритроцитарного полиморфизма произошло уже после ее обнаружения. Практически все африканцы являются Даффи-отрицательными. Можно предположить, следовательно, что благодаря своему селективному преимуществу этот аллель распространился по всей популяции.

Недавно была разработана альтернативная гипотеза [1817]. Согласно ей, предсуществующие высокие частоты Даффи-отрицательного аллеля препятствовали тому, чтобы малярия, вызванная P. vivax, стала эндемичной болезнью Западной Африки. Обосновывается тезис, что малярия, вызванная P. vivax, появилась у предкового примата и не смогла распространиться по Африке из-за наличия у него Даффи-отрицательного аллеля.

Всасывание и нарушение всасывания лактозы. Лактоза - существенный в пищевом отношении углевод молока (рис. 7.15). Для того чтобы произошло всасывание лактозы в тонкой кишке, она должна гидролизоваться специальным ферментом лактазой, который локализуется в щеточной каемке эпителиальных клеток кишечника. Лактоза содержится в молоке почти всех млекопитающих; активность лактазы высока у новорожденных и детей грудного возраста, принадлежащих к любой популяции и расе, и понижается при отнятии от груди. В последующем же лактазная активность поддерживается на низком уровне, составляя обычно менее 10% активности этого фермента у новорожденного.

Рис. 7.15. Дисахарид лактоза

Еще несколько лет назад существовало представление, что у людей "в норме" высокая активность лактазы сохраняется и во взрослом состоянии. Лица с высокой лактазной активностью могут переносить большие количества лактозы; после лактозной нагрузки в их крови значительно увеличивается концентрация глюкозы и галактозы - сахаров, из которых состоит молекула лактозы.

Нарушение всасывания лактозы [1924]. У лиц с низкой лактазной активностью после употребления молока увеличения глюкозы в крови либо не происходит вовсе, либо оно незначительно. У таких людей после приема 25-50 г лактозы (1 литр коровьего молока содержит 45-50 г лактозы) появляются клинические симптомы непереносимости. Они включают диарею, схваткообразные боли в животе, метеоризм. Малые количества молока и молочные продукты, в которых большая часть лактозы гидролизована (йогурт или простокваша), переносятся без каких-либо неприятных последствий. Сравнительный анализ переносимости лактозы у черных и белых американцев показал, что негры не переносят молоко гораздо чаще, чем белые [1900]. В настоящее время в этом отношении изучено множество популяций [1924] (рис. 7.16). Наиболее достоверные результаты можно получить, измеряя активность лактазы в биопсийных пробах кишечника. Вполне понятно, что такой метод не подходит для популяционных или посемейных исследований. Для них были разработаны стандартные тесты, основанные на измерении содержания Н₂ в выдыхаемом воздухе после орального приема определенной дозы лактозы [1936].

Рис. 7.16. Частоты гена постоянства лактазной активности (PLA) у населения Земли. (Courtesy of G. Flatz.)

В большинстве популяций монголоидов, индейцев и эскимосов сохранение лактазной активности у детей старшего возраста и у взрослых встречается очень редко или не встречается вообще. Столь же низкая частота переносимости лактозы регистрируется у большинства арабов и евреев, а также в популяциях тропической Африки, у австралийских аборигенов и меланезийцев. Значительное преобладание лиц, сохраняющих лактазную активность во взрослом состоянии (> 75%), характерно только для жителей Северной и Центральной Европы и для их потомков на других континентах. Заметим, однако, что высокую частоту переносимости лактозы отмечали и в ряде групп африканских кочевников-скотоводов. У населения Испании, Италии и Греции обнаружены промежуточные частоты (30-70%). Народы Южной Азии проявляют высокую изменчивость по этому признаку; возможно, что его появление у населения данного региона обусловлено миграцией. В популяции американских негров частота этого признака несколько выше, чем у африканцев.

Какое состояние следует считать нормальным? В большинстве популяций человека после отнятия детей от груди у них происходит понижение лактазной активности; эта особенность является общей для двух из трех больших рас (негров и монголоидов). Сохранение активности лактазы во взрослом состоянии характерно только для белых, причем даже у них этот признак встречается не во всех популяциях. Следовательно, для людей, как и для других млекопитающих, потеря этой специфической активности - вполне "нормальное" явление.

Однако ученые, которые проводили эти исследования, нормой считали переносимость лактозы, поскольку в европейских популяциях распространен именно этот признак. Такой вывод имел определенные экономические последствия. Известно, что для улучшения белкового питания детей из африканских и азиатских стран в эти регионы поставляли большое количество молочного порошка; инициаторы этой акции исходили из не лишенной логики гипотезы, согласно которой то, что хорошо для европейских детей, должно также быть хорошо и для детей развивающихся стран. В свете наших нынешних знаний о популяционных распределениях переносимости лактозы эти программы, по-видимому, требуют пересмотра. Конечно, запретить совсем потребление лактозосодержащей пищи в популяциях, состоящих из лиц, не переносящих лактозу, неразумно, поскольку в противном случае они будут страдать от белковой недостаточности.

Индукция фермента или генетическая изменчивость? Существуют два возможных биохимических объяснения нарушения всасывания лактозы.

1. Нарушение всасывания лактозы, возможно, является следствием низкого уровня потребления лактозы большинством индивидов после прекращения грудного вскармливания. Мы знаем, что активность многих ферментов может увеличиваться при добавлении субстрата (субстрат-специфическая индукция) [1903]. Эта гипотеза вначале получила широкое признание, но ее последующая проверка на животных и людях дала отрицательные результаты [1924].

2. Семейные исследования [1915] свидетельствовали о генетической обусловленности этого признака, а точнее, об аутосомно-рецессивном типе наследования нарушения всасывания лактозы.

Аутосомно-рецессивное наследование нарушения всасывания лактозы было продемонстрировано в широкомасштабном исследовании соответствующих типов браков в Финляндии [1975]. Это результат нашел подтверждение при изучении многих других популяций. "Всасыватели" лактозы являются либо гомозиготами, либо гетерозиготами по гену всасывания лактозы, а лица с нарушением всасывания этого гена не имеют.

Множественный аллелизм? Снижение лактазной активности до определенного уровня (рецессивный признак) в разных популяциях происходит в разном возрасте. В Таиланде и у банту все дети старше 4 лет не обнаруживают повышения глюкозы крови после лактозной нагрузки. Доля детей американских негров, неспособных усваивать лактозу, от общего числа ровесников растет с увеличением их возраста до 14 лет, а в Финляндии полная экспрессия соответствующих генов задерживается и происходит в интервале между 15 и 20 годами. Такая фенотипическая изменчивость может быть обусловлена множественными аллелями или различиями в количестве и свойствах молока, употреблявшегося в детские годы, и требует дальнейшего изучения.

Генетический механизм. Мы уже говорили, что остаточная лактазная активность присутствует и у взрослых, неспособных усваивать лактозу. До сих пор неизвестно, есть ли отличия в структуре лактазы у лиц с нарушением всасывания и у "всасывателей". Переключение с высокой на низкую активность несколько напоминает переход от продуцирования γ-цепи гемоглобина к продуцированию β-цепи, сопровождающийся переходом от образования HbF к образованию НbА; сохранение лактазной активности у взрослых можно сравнить с сохранением фетального гемоглобина (разд. 4.3).

Естественный отбор. Сохранение в большинстве популяций человека лиц, способных всасывать лактозу, наличие этого признака у других млекопитающих свидетельствует, что ген, ответственный за сохранение лактазной активности, время от времени возникал в ходе эволюции человека в результате мутации и что высокие частоты данного гена в некоторых популяциях обусловлены его селективным преимуществом. Какова природа этого преимущества? На этот счет выдвинуты две основные гипотезы [1924].

1. Культурно-историческая гипотеза.

2. Гипотеза, согласно которой лактоза способствует лучшему усвоению кальция [1923].

Согласно первой гипотезе, доместикация молочного скота, происходившая в эпоху неолита (около 9000 лет назад), привела к селективному преимуществу индивидов, которые могли удовлетворять большую часть своих пищевых потребностей в белке, употребляя молоко. Действительно, существует ряд популяций, состоящих из потребителей молока; например, упоминавшиеся выше скотоводческие племена. К ним эта гипотеза вполне приложима. Однако утверждение об ее универсальном значении вызывает определенные сомнения. Например, обращает на себя внимание отсутствие параллелизма между обычаем пить молоко и преобладанием лиц, способных всасывать лактозу. Большие популяции Африки и Азии состоят из потребителей молока, но характеризуются очень низкими частотами лиц, усваивающих лактозу. Тем не менее в любой популяции всегда существуют несколько индивидов, способных усваивать лактозу; следовательно, этот ген имелся и раньше и мог испытывать благоприятствующее действие отбора. В Европе самая высокая частота гена всасывания лактозы обнаружена на юге Скандинавии (0,7-0,75), где молочное скотоводство стало развиваться сравнительно недавно. До того как люди научились искусственно охлаждать молоко или получать его в сухом виде, лица, неспособные усваивать лактозу, без труда обнаруживали, что кислое молоко переваривается ими намного лучше чем свежее. Все сказанное убеждает нас в том, что альтернативное предположение о специфическом преимуществе молочного питания в природных условиях Северной Европы заслуживает внимания.

Известно, что дефицит витамина D в северных районах обусловлен пониженным уровнем УФ-облучения. В настоящее время предполагают, что лактоза может заменять витамин D, улучшая усвоение кальция [1923]. Для этой гипотезы ключевой проблемой является вопрос о механизме возможного противорахитического действия высокого уровня всасывания лактозы. Существует ли феномен специфического усиления поглощения кальция, сопряженного с гидролизом лактозы? Эксперименты на животных не могут дать однозначный ответ, поскольку взрослые животные неспособны всасывать лактозу. Недавние исследования на людях показали, что всасывание лактозы действительно усиливает поглощение кальция [1908].

Независимо от того, подтвердится кальциевая гипотеза или будет опровергнута, можно констатировать, что она обладает рядом особенностей, свойственных эвристическим гипотезам. Она конкретна, содержит предположение о механизме действия и дает идею экспериментов, с помощью которых ее можно проверить.

Витамин D и генетические маркеры сыворотки крови (система GC). Генетический полиморфизм фракции β₂-белка сыворотки крови человека выявляется иммунологическими методами и известен с 1959 г. [1935]: в настоящее время описано много аллелей этой системы, но большинство популяций полиморфно только по двум из них, а именно по GC¹ и GC²; у австралийских аборигенов имеется третий аллель - GC^Ab0, а у индейцев чиппева - четвертый - GC^Chip [1940]. Первые данные о частотах этих генов показали, что в очень засушливых районах аллель GC² встречается редко. Этот результат стал понятным, когда была установлена функция GC-белков, которые, как оказалось, переносят витамин D [1909].

Позднее появились данные, свидетельствующие о связи между интенсивностью солнечного освещения и полиморфизмом GC-аллелей; в большинстве популяций, живущих на протяжении длительного времени в районах с низкой интенсивностью солнечного света, обнаружены высокие частоты GC² [1957].

Такое географическое распределение свидетельствует о селективном преимуществе GC². Возможно, оно обусловлено тем, что этот аллель обеспечивает более эффективную транспортировку витамина D (что особенно важно, когда запас данного витамина ограничен). Это в свою очередь может приводить к понижению частоты рахита либо у индивидов, гетерозиготных по аллелю GC², либо у гомозиготных по нему индивидов, либо и у тех и других. Точный механизм отбора, действующий в данном случае, еще предстоит выяснить.

Возможные селективные механизмы в случае других расовых характеристик. Кроме примеров, приведенных в предшествующих параграфах и использованных в главе, посвященной популяционной генетике, о селективном преимуществе или вредности расовых признаков известно очень мало.

Можно предполагать, что небольшой рост и плотное телосложение эскимосов, а также характерный для них относительно толстый слой подкожного жира дают определенные преимущества в холодном климате, а широкая грудная клетка южноамериканских индейцев, живущих высоко в Андах, связана с респираторной адаптацией к жизни в условиях высокогорья.

Представители разных расовых групп в США и других развитых странах обнаруживают различия в подверженности мультифакториальным болезням. Например, американские негры чаще страдают гипертонией, чем белые. Было также показано, что некоторые группы индейцев, например живущие в Тринидаде, имеют более высокую долю больных сахарным диабетом, чем другие популяционные группы. Несомненно, что причина таких различий станет понятной тогда, когда популяционной генетикой заинтересуются исследователи с медицинским образованием, хорошим знанием конкретных болезней.

Для объяснения существующей частоты заболеваний диабетом и атеросклерозом предложено несколько гипотез, например концепции "экономного генотипа" [1961] и быстрой мобилизации липидов. Предполагается, что в условиях голодания диабетический генотип обеспечивает более эффективную мобилизацию углеводов, а гены предрасположенности к атеросклерозу способствуют более быстрой мобилизации жиров.

Есть мнение, что такие селективные механизмы, действовавшие в прошлом, когда на протяжении многих поколений голодание было обычным состоянием человека, объясняют высокую частоту больных диабетом и атеросклерозом в настоящее время. К сожалению, ни одна из этих гипотез не согласуется с современными патофизиологическими концепциями углеводного и липидного метаболизма.