Source: Novosibirsk State University – Новосибирский государственный университет –
В рамках «Недели Дарвина» научный сотрудник Института цитологии и генетики СО РАН, старший преподаватель Факультета естественных наук НГУ, к.б.н. Антон Цыбко рассказал про связь между эволюцией и медициной.
Как появилась эволюционная медицина
Казалось бы, медицина и эволюционная биология развиваются в двух разных плоскостях: объектом интереса первой является индивид и состояние его здоровья, а вторая изучает различные популяции живых организмов. И, тем не менее, поскольку эволюционная теория является своего рода стержневой идеей биологии, она не может быть отделена и от медицинской науки.
Историк науки Фабио Замперия в своей работе обратил внимание на то, что медики достаточно давно интересовались теорией Дарвина, пик связанных с ней публикаций в ведущих американских и британских медицинских научных журналах пришелся на 1920-30-е годы.
— Но встает вопрос, в каком контексте она рассматривалась. Тогда наиболее популярным был тезис о том, что развитие медицины сохраняет жизнь тем, кто иначе умер бы, и это негативно сказывается на общем состоянии здоровья современных людей. Подобные утверждения встречаются и до сих пор, — рассказал Антон Цыбко.
Но, как он отметил далее, это говорит о неправильном понимании естественного отбора как инструмента элиминации неприспособленных особей. Между тем, Дарвин говорил про то, что в эволюционной гонке побеждает не тот, кто лучше приспособлен к выживанию, а тот, кто оставит больше потомков. Суть естественного отбора в достижении максимального репродуктивного успеха.
Настоящее же зарождение эволюционной медицины состоялось в 1991 году, когда вышла книга Джорджа Уильямса и Рэндольфа Нессии «Почему мы болеем». В ней заболевания показаны с точки зрения эволюционной теории в ее состоянии на тот момент.
Во-первых, к тому времени уже было понятно, что отбор происходит не на уровне индивидов, а на уровне генов, которые сохраняются в популяции. Во-вторых, стало известно про мутации в ДНК; как следствие, возникают полиморфные вариации одних и тех же генов.
— Один и тот же ген может отличаться у двух индивидов всего лишь одной заменой в паре нуклеотидов. Но эта замена может играть очень важную роль, менять функцию белка, и это нужно учитывать, — подчеркнул Антон Цыбко.
Также ученые уже знали про плейотропию генов — способность одного гена влиять на несколько фенотипических признаков, в том числе, под воздействием среды, и была сформулирована концепция эволюционных компромиссов (улучшения одних частей и систем организма может приводить к ухудшениям в других).
Вот на этих постулатах, отметил докладчик, и было основано новое направление медицинской науки, которое можно называть дарвиновской или эволюционной медициной.
Согласно ее утверждениям, эволюция порождает не болезни, а предрасположенности к развитию того или иного заболевания. Одна из главных причин этого — несовпадение между скоростью естественного отбора и изменениями среды. Это свойственно крупным млекопитающим, которые эволюционирую медленнее, и, прежде всего, человеку, который меняет свою среду обитания намного быстрее, чем меняется его собственный организм. Определенную роль играют неустранимые эволюционные ограничения и эволюционные компромиссы (те особенности организма, которые в обозримой перспективе естественный отбор устранить не сможет).
Еще одним фактором, влияющим на появление новых заболеваний, является то, что эволюция патогенов идет гораздо быстрее, чем их носителей (тех, кто подвержен этим заболеваниям), но эту причину Антон Цыбко предпочел озвучить, оставив подробности за рамками своей лекции.
Странные «конструкторские решения»
Долгое время медицина рассматривала человеческий организм как аналог некоего механизма (концепция «Тело как машина»). Но тогда встает вопрос — кто был создателем, «инженером», построившим этот слаженный механизм. Но естественный отбор не может выступать в такой роли, поскольку он не обладает прогностической силой. В результате мы получили множество неочевидных и даже странных «конструкторских решений», которые создают условия для развития разных патологий.
В качестве примера лектор привел особенности строения глаз позвоночных: повернутые в обратную от источника света фоторецепторы, а аксоны и кровеносные сосуды, которые питают клетки сетчатки находятся в наружном слое. И это приводит к появлению множества оптических изъянов (астигматизм, слепое пятно, помутнение стекловидного тела и проч.), которых лишены, к примеру, глаза головоногих.
В свое время физик Герман Гельмгольц по этому поводу сказал: «Если бы оптик захотел продать мне инструмент, имеющий эти дефекты, я счел бы себя вправе обвинить его в небрежности, вернув ему инструмент обратно».
Почему наши глаза обрели такое инвертированное строение, доподлинно не известно. В прошлом году автор одного исследования предложил свою модель возникновения различия между глазами головоногих и позвоночных, согласно которой все началось с одного эволюционного расхождения. В результате, изначально плоская зрительная пластинка у головоногих вогнулась внутрь, а у позвоночных, наоборот, началось ее выпячивание. Эта модель довольно изящно объясняет последующие расхождения, но пока остается лишь теоретическим построением.
— При этом, если сравнить результаты этих двух путей эволюции глаз, то не скажешь, что головоногие существенно выиграли. Наш глаз лучше подходит для зрения в воздушной среде, их глаза лучше приспособлены для зрения в водной среде. Но, что интересно, конструктивные изъяны наших глаз формируют риски развития разных заболеваний. Кровеносные сосуды расположены над фоторецепторным слоем, и их повреждение, например, в случае ретинопатии, приводит к потере зрения. Отслоение сетчатки — прямое следствие того, что наши рецепторы повернуты задом наперед, и так далее, — подчеркнул Антон Цыбко.
Эволюционные компромиссы
Наглядным примером роли эволюционных компромиссов является прямохождение, которое, скорее всего, было сформировано под влиянием проживания наших предков в густых лесах, где удобнее всего перемещаться на двух ногах, считают ученые.
Изучая анатомию древних прямоходящих гоминидов, исследователи отметили много схожего с современным человеком в креплении костей ног к тазовым. И раз прямохождение закрепилось сразу в нескольких популяциях, это говорит о том, что его преимущества (энергоэффективность, меньшая подверженность перегреву в условиях Африки, освобождение верхней пары конечностей) были очевидны. Но одновременно прямохождение привело к появлению изгибов позвоночника, дополнительной нагрузке на коленные суставы — и это потенциальные точки возникновения проблем.
— Но вот в чем нюанс: когда мы были охотниками и собирателями, это давало о себе знать не так сильно, как сейчас. Если вы начинаете работать в поле мотыгой или постоянно переносить тяжести — это уже совсем другая история. Хотя это уже больше про несовпадение среды и естественного отбора, — добавил ученый.
А вот собственно эволюционный компромисс ярче проявился в деторождении. Вертикальное расположение туловища увеличило роль таза в поддержке внутренних органов, но в результате сузился родовой канал. А параллельно шел процесс увеличения объема мозга и размеров черепа у древних предков современного человека. И процесс родов у человека теперь протекает намного сложнее, чем у шимпанзе или австралопитеков, что несет риски для здоровья и жизни как самих рожениц, так и их детей. Еще одним компромиссом стало то, что у людей дети рождаются с менее развитым относительно взрослых мозгом, чем у шимпанзе. С одной стороны, это уменьшает объем черепа и несколько упрощает роды, с другой — дети взрослеют дольше, чем детеныши человекообразных обезьян, и требуют более длительной родительской опеки для выживания.
На разных скоростях
Ну и конечно, огромную роль играет несоответствие изменений среды и скорости, с которой организм к этим несоответствиям адаптируется через механизмы естественного отбора. Это лучше всего видно как раз на примере человека (который сформировал вокруг себя искусственную и очень изменчивую среду, называемую культурой), и потому именно этот фактор вызывает больше всего интереса у эволюционной медицины.
— Здесь можно привести массу примеров. Зарождение сельского хозяйства повысило долю углеводов в рационе, ввело в него лактозу, а это все — отличная среда для бактерий, разрушающих зубную эмаль, вот вам и кариес, — рассказал лектор.
Но это примеры, как говорится, на поверхности. Менее заметно, но не менее интересно, что за стремительным развитием культуры не поспевает наша психология, точнее, когнитивные механизмы. Те же углеводы, содержащиеся в натуральных продуктах (фруктах, ягодах, мёде), не только сладкие, но и дают больше всего энергии, и их потребление — выигрышная стратегия, когда человек бродит по африканской саванне, много двигается и ему важно быстро восполнять энергопотери в условиях дефицита еды.
Сейчас среда обитания изменилась и в нашем рационе преобладают фабричные продукты, в них еще больше углеводов (конфеты, газировка и т.п.), и нет никакого дефицита, они доступны. А механизм поиска сладкого у человека не поменялся, но теперь он в силу тяги к сладкому получает уже совсем другой результат, в том числе — в виде лишнего веса и связанных с ним патологий, сахарного диабета и прочее. Причем эти изменения по эволюционным меркам стали происходить совсем недавно, несколько столетий. Адаптироваться наши организмы к ним не успели, а вот заработать новые проблемы в области здоровья под влиянием стремления мозга «найти сладкое» — вполне.
— Но мы видим сейчас не только эпидемии ожирения и диабета, связь которых с изменением среды понятна, но и эпидемию психических расстройств, — продолжил докладчик. И привел статистику, согласно которой в настоящее время на планете зарегистрировано около 400 млн человек, страдающих теми или иными психическими расстройствами (включая депрессию).
Признав, что в рамках отдельной лекции комплексного ответа на вопрос дать не получится, Антон Цыбко затронул один аспект проблемы, связанный с — транспортером серотонина — белком, переносящим серотонин из внеклеточного пространства обратно в нейрон, где он снова может быть использован.
Как эволюционная теория объясняет психические расстройства
Серотонин, как известно, один из важнейших нейромедиаторов, регулирующий наше настроение, и дефицит серотонина один из важнейших факторов патогенеза депрессии. Большинство классических антидепрессантов — это ингибиторы обратного захвата серотонина, они блокируют действие транспортёра, и серотонин, накапливаясь в синаптической щели, начинает действовать. Сегодня считается, что именно повышение уровня серотонина позволяет снимать депрессивное состояние.
В гене транспортёра есть полиморфизм, одна маленькая замена, которая существенно нарушает его экспрессию (процесс синтеза белка в организме). Белка синтезируется меньше, вслед за этим понижается содержание серотонина, вместо того чтобы накапливаться внутри нейронов, он распадается вне их.
— Это состояние дефицита серотонина провоцирует множество изменений, связанных с поведением. Структуры, которые отвечают за обработку сложных паттернов информации, а также связанные с тревогой и опасностью (префронтальная кора, миндалина), начинают провоцировать повышенную тревожность, застенчивость, неприятие рисков, — рассказал Антон Цыбко.
И встает вопрос, как эта мутация сохранилась в нашей популяции. Несколько лет назад ученые НИИ нейронаук и медицины совместно с коллегами из Института цитологии и генетики СО РАН провели исследование, которое показало, что у якутов и тувинцев более развита реакция в системе премоторного контроля (когда надо быстро отреагировать движением на изменение ситуации). И одновременно высока частота наличия того самого полиморфизма («короткого аллеля»), которая провоцирует дефицит серотонина. Ученые предположили, что это помогало кочевникам и охотникам боле эффективно реагировать на потенциальные угрозы, что было адаптивным преимуществом. Но когда под влиянием цивилизации образ жизни поменялся, этот же полиморфизм стал, скорее, работать во вред. В той же Тыве, как и у коренных народов Севера, отмечается высокий уровень заболеваемости психическими расстройствами, в особенности депрессией.
— И это происходит по всей планете, просто в большем масштабе. Так, в Китае быстрая урбанизация привела к взрывному росту психических расстройств. Есть исследования в Африке и Америке, которые показывают, что у людей, переехавших в города из сельской местности, риск развития депрессии существенно выше, — заключил ученый.
Подводя итог, можно отметить, что вряд ли у нас получится замедлить прогресс среды обитания и, тем более, обернуть его вспять. Да и вряд ли это было бы хорошей стратегией. Но учитывать все последствия для здоровья человека необходимо, а это ставит все новые задачи перед эволюционной медициной, которая буквально на глазах выросла в вполне себе самостоятельное научное направление.
Обратите внимание; Эта информация является необработанным контентом непосредственно из источника информации. Это точно соответствует тому, что утверждает источник, и не отражает позицию MIL-OSI или ее клиентов.