У всех млекопитающих молоко - это мелкодисперсная эмульсия жира в растворе, содержащем сахар, белки и соли. У человека сахар дает около 30% калорий, находящихся в молоке. Но в действительности роль сахара значительно больше: белок в основном идет на строительный материал, а жиры плохо годятся в качестве источника энергии для мозга.
Практически у всех в качестве молочного сахара используется дисахарид лактоза. Мы к этому привыкли и считаем само собой разумеющимся, хотя этому выбору стоит удивиться, поскольку, кроме молока, лактозы нет почти нигде в живом мире.
Другой популярный дисахарид - сахароза – присутствует повсеместно в сладких плодах растений. Сахароза - едва ли не самый сладкий из естественных сахаров. А лактоза - наименее сладкий. Если оценить количественно, сахароза в 6 раз слаще лактозы.
Конечно, сладость - это не объективное свойство, а отражает относительное сродство молекул сахара с рецептором, но вопрос, тем не менее, остается: растения, заинтересованные в том, чтобы их сладкие плоды съели, используют самый сладкий сахар, а млекопитающие - самый несладкий.
Лактоза и синтезируется совсем не похоже на сахарозу. Сахарозе предстоит остаться внутри клетки, и она синтезируется в цитоплазме. Лактоза же предназначена на экспорт и делается в комплексе Гольджи. Это само по себе не удивительно, удивительно то, что для синтеза используются подручные средства.
Фермент, синтезирующий лактозу, состоит из двух субъединиц. Одна из них существует в комплексе Гольджи постоянно, а не только в момент лактации. В нормальной жизни она катализирует несколько отличную реакцию, важную для синтеза глюкозаминогликанов - важных компонентов любой соединительной ткани. Но при лактации производящие клетки производят один из важнейших белков молока – α-лактоглобулин. Когда есть α-лактоглобулин, он присоединяется к первой субъединице, слегка меняет ее специфичность, и измененный фермент начинает присоединять галактозу не к N-ацетилглюкозамину, а к глюкозе. Соответственно, вместо мукополисахарида получается лактоза. Сам α-лактоглобулин тоже сделан в эволюционном смысле из подручных средств. Он - продукт удвоения антибактериального фермента лизоцима, только утративший активность и превратившийся просто в питательный белок молока.
Главное свойство молока как продукта питания – его временность. Фермент лактаза, разлагающий лактозу, не экспрессируется в кишечнике постоянно. Он практически отсутствует в первые дни после рождения. В этот момент детеныш еще не получает от матери пищу: вместо молока молочные железы производят молозиво. Кишечник детеныша еще может переносить в кровь некоторые крупные белки, в первую очередь антитела, которые должны защитить его от инфекций, пока не включится его собственная иммунная система. Но через некоторое время мать начинает производить полноценное молоко, а в кишечнике детеныша появляется лактаза.
Кишечник детеныша экспрессирует лактазу столько, сколько надо для выкармливания, а затем ее экспрессия быстро сходит на нет. Лактоза перестает усваиваться. Иногда неусвоенная лактоза создает неприятные эффекты - сама или из-за того, что кишечная флора по-прежнему может ее усваивать. Бывают популяции, у которых эффектов нет. Как бы то ни было, лактоза перестает быть пищей.
За таким изменением стоит интерес матери, которая когда-то должна прервать кормление и родить последующих детенышей. Когда молоко перестанет быть питательным, детеныш перестанет сосать, включится механизм обратной связи, и лактация прекратится. Видимо, с этим связана относительная несладость лактозы и сладость сахарозы и фруктозы. Детенышу, которому надо будет выбирать между материнским молоком и сладкими плодами, плоды покажутся слаще.
Бывшие ластоногие
Из повсеместного правила есть одно исключение - бывшие ластоногие. Бывшие - потому что теперь их относят к отряду хищных и считают ближайшими родственниками медведей. Так вот, бывшие ластоногие подразделяются на три семейства: настоящие тюлени, ушастые тюлени (котики и морские львы) и моржи.
Три семейства коренным образом отличаются по стратегии выкармливания детенышей. Тюлени рождают детеныша на суше, после чего мать выкармливает его на суше в течение, у разных видов, от 4 до 50 дней. Сама она при этом ничего не ест - на суше ей есть нечего. По окончании периода мать и детеныш уходят в воду, где детеныш уже начинает питаться нормальной пищей. У ушастых тюленей, напротив, детеныш голодает на суше, а мать довольно быстро начинает отлучаться в море, чтобы поесть. Максимальный срок отлучки - 23 дня, но лактация при этом не прекращается, а продолжается еще очень долго. У моржей - третья стратегия. Они очень быстро возвращаются в воду вместе с детенышами и кормят их еще очень долго как в воде, так и на берегу (см. картинку из [2]).
Так вот, из трех семейств - только тюленям надо отлучать детеныша от молока волевым образом. Соответственно, только у тюленей в молоке есть лактоза, хотя и немного. А у ушастых тюленей и моржей - нет. И у тех и у других есть мутации (разные) в гене α-лактоглобулина, в результате которых лактоза не может производиться.
Люди и лактоза.
Оказывается, в последние годы разработан изотопный метод, позволяющий отличить молочный жир от жировой ткани, даже у тех же животных: у них будет немного отличаться доля 13С в разных жирных кислотах. И метод этот настолько чувствителен, что позволяет проверить следы жирных кислот на археологической керамике и сказать, что хранили в данном горшке - жирное мясо или молоко. Поэтому можно проследить, когда и где начали использовали в пищу молочные продукты. Исходя из этого метода, получается, что самые древние места, где начали использовать молоко - это Анатолия, а время - середина 7 тысячелетия до н. э. [5]. В 6 тысячелетии до н. э. использование молока начало распространяться в Европе, а в 4 тысячелетии до н. э. достигло Британии.
В 6 тысячелетии до н.э. скотоводство распространилось и в те области, которые стали впоследствии пустыней Сахара. В Сахаре есть пещерная живопись, изображающая большие стада коров, рядом с ними - люди, собирающие жидкость в какие-то горшки ((см. картинку из [6]).
Жидкость могла бы быть кровью (и в наше время есть африканские племена, которые, вместо использования молока, периодически устраивают коровам кровопускание и пьют кровь), но анализ керамики начиная с середины 6 тысячелетия до н. э. показывает, что жители Сахары использовали не кровь, а молоко. Причем, в отличие от неолитических культур Ближнего востока, жители Сахары были только охотниками и скотоводами, сельским хозяйством они не занимались, то есть зависели от молока гораздо сильнее, чем жители Анатолии.
Использование молока - это в первую очередь молочнокислые продукты, сыры и твороги; в них всех лактозы нет или мало. Но, видимо, способность усваивать лактозу во взрослом возрсте всё-таки дает какое-то преимущество, потому что популяции, распространившиеся с распространением молочного скотоводства, приобрели эту способность. Ниже представлена карта ее распределения [3].
На карте видно, что есть три района, где почти все умеют усваивать лактозу. Один - на севере Европы. Другой - на юго-запад от Сахары. Третий - в Аравии. Подробно из них изучены первые два.
Когда стали исследовать устройство гена лактазы у европейцев, обнаружили, что его не-исчезновение в возрасте >3 лет - следствие определенного варианта в участке ДНК на 13910 оснований выше гена лактазы. Основание Т в этом положении не позволяет белку-репрессору связаться с участком ДНК, и ген продолжает функционировать.
Практически вся способность европейцев использовать молоко связана именно с этим аллелем. На карте ниже [3] изображено его географическое распределение.
Аналогично, неисчезновение лактазы в африканских популяциях связано с другим аллелем: основанием С в положении 14010. Оба аллеля несут следы недавнего отбора.
Казалось бы, всё просто: в тех популяциях, которые связали свою судьбу с молочными продуктами, произошел отбор, и распространился аллельный вариант, позволяющий взрослым людям усваивать лактозу.
Видимо, отбор происходил тем сильнее, чем больше популяция зависела только от молочной пищи. В Европе 80-90% англичан или шведов, но только 50-60% жителей южной Европы имеют этот аллель. Но, вроде бы, есть данные, что и на юге процент носителей этого аллеля вырос по сравнению с древними временами (страна басков) или даже со Средними веками (Венгрия). Отбор, судя по всему, был, но по-прежнему не очень понятно, по каким параметрам.
1. Brüssow, H. (2013) Nutrition, population growth and disease: a short history of lactose. Environ Microbiol. (preprint)
2. Reich, C.M., and Arnould, J.P.Y (2007) Evolution of Pinnipedia lactation strategies: a potential role for α-lactalbumin? Biol Lett. 3: 546–549.
3. Gerbault P, et al. (2011) Evolution of lactase persistence: an example of human niche construction. Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci. 366 :863-77
4. Tishkoff, S.A., et al. (2007 Convergent adaptation of human lactase persistence in Africa and Europe. Nat Genet. 39:31–40
5. Evershed, R.D. et al. (2008) Earliest date for milk use in the Near East and southeastern Europe linked to cattle herding Nature 455, 528-531
6. Dunne,J. et al. (2012) First dairying in green Saharan Africa in the fifth millennium BC Nature 486, 390–394.