老祖宗拼命进化出消化碳水的能力,你现在倒是要戒了…

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划重点

01两项新研究显示,人类的祖先从两波饮食浪潮中获得了更多唾液淀粉酶基因,第一次浪潮发生在几十万年前,第二次发生于12000年前的农业革命以后。

02拥有更多AMY1基因拷贝的现代人似乎更易患上糖尿病等疾病,因为富含淀粉的现代饮食更易引起此类疾病。

03研究发现,现代人每条染色体上最多有11个AMY1拷贝,以及0~4个胰淀粉酶基因的拷贝。

04然而,研究团队也不排除另一种可能:首次重复发生于智人谱系形成以后,导致一条染色体上出现3个AMY1基因拷贝。

05除此之外,淀粉酶基因的获得是否受到用火技术驱动的疑问,目前只可作猜测。

以上内容由腾讯混元大模型生成,仅供参考

你喜欢“干饭”吗?干白大米饭,或是面条、年糕、汤圆、饺子……当你干这些以淀粉为主要成分的食物时,第一步,是把它们放进嘴里,第二步,你唾液中的酶会开始分解淀粉。

这种酶被称为唾液淀粉酶,即AMY1。在漫长进化旅程中,在人类适应不断变化的食物来源的过程中,它出现、增加、延续,发挥至关重要的作用。如今大多数现代人都携带多个AMY1基因的拷贝,一部分人拥有的拷贝数更可谓阔绰。

最近两项新研究表明,我们的祖先似乎从两波饮食浪潮中获得了更多唾液淀粉酶基因:第一次浪潮是在几十万年前,可能源自人类开始用火烹制食物;第二次则发生于12000年前的农业革命以后。


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AMY1基因越多,吸收能量越多?

其中一项新研究发表于《科学》杂志,由美国布法罗大学遗传学家奥默·格库门(Omer Gokcumen)领衔的团队完成。格库门表示,随着古代社会发展出不同饮食习惯,古人也演化得到不同数量的AMY1基因。富含淀粉的现代饮食更易引起糖尿病等疾病,而那些拥有较少淀粉酶基因的现代人似乎更易患上此类疾病。

适应不同环境与改变饮食习惯,是人类进化的核心原则。我认为我们的工作为研发基于AMY1基因的疗法奠定了基础。”

1960年代,科学家发现有些人的唾液会产生额外的淀粉酶。这是该研究方向上的第一条线索。
2007年,亚利桑那州立大学的生物人类学家乔治·佩里(GeorgePerry)与哈佛医学院的基因组学家查尔斯·李(CharlesLee)等人发现,“食用大量淀粉类食物”与“拥有更多AMY1基因拷贝”相关联。目前就职于宾夕法尼亚州立大学的佩里推测,当人类开始种植小麦、山药和其他淀粉类作物时,拥有更多AMY1拷贝的个体从每一口食物里吸收的能量更多,并因此留下更多后代。

不过十多年前的基因组技术不足以证实上述关联。科学家每次只能给一小部分DNA测序,因此无法发现由多个基因拷贝组成的错综复杂的DNA片段。佩里回忆道:“我使用的方法非常粗糙,而最新的研究……更深入探究了这个问题。”

不断增加的基因拷贝

另一项发表于《自然》杂志的新工作由加州大学伯克利分校的遗传学家彼得·苏德曼(Peter Sudmant主导。他这样说道:“此前我们一直观察影子,现在我们看到了实物。”


苏德曼团队报告称,现代人每条染色体上最多有11个AMY1拷贝,以及0~4个胰淀粉酶基因的拷贝(负责在胰腺中产生淀粉酶)。他们还研究了3名尼安德特人和1名丹尼索瓦人的古代基因组,未发现有多个淀粉酶基因拷贝存在的迹象。值得一提的是,黑猩猩和其他猿类也会通过唾液制造淀粉酶,但它们只携带一份酶基因。




苏德曼与同事后续分析了519名古欧亚人的基因组。这些人生活在12000年前,也就是欧亚大陆刚刚出现农业的时期。到了大约5000年前,AMY1基因的平均拷贝数从4个增加到7个以上,拥有至少1个唾液淀粉酶或胰淀粉酶重复基因的人口比例也大幅增长。
团队估计,AMY1基因在至少27.9万年前首次重复(或者说复制),后来又经历多次重复和删除,最终,现代人类的拷贝数各不相同。
苏德曼说道:“我们祖先离开非洲前,就已拥有更多淀粉酶基因的拷贝。后来自然选择又青睐它们,因为农业发展让人类饮食富含淀粉。”

格库门团队的结论与上述理论既相呼应,又有差异。他们发现,过去4000年间,欧洲农民的AMY1基因拷贝数也在激增。此外,AMY1基因重复现象也出现于6名尼安德特人中的3名以及1名丹尼索瓦人的基因组中。他们推断该基因首次重复的时间比苏德曼等人估计的要早很多,早于解剖学意义上的现代人类,即智人,与近亲们分道扬镳的节点——或许是早期人类学会控制火以后。(部分学者推测谱系分化是80万年前的事情)


当然,研究团队也不排除另一种可能:首次重复发生于智人谱系形成以后,导致一条染色体上出现3个AMY1基因拷贝,尼人和丹人则通过杂交获得该DNA片段,或者独立进化出多个AMY1拷贝。

苏德曼团队为排除现代DNA污染只分析了测序更完整的古代基因组,这似乎就是两方结果不同的主要原因。

驯化淀粉类作物,同时被淀粉“驯化”

在烹饪出现前,我们的祖先几乎无法从生块茎和其他富含淀粉的植物中获取营养。但火的热量可以分解植物坚韧的纤维,使其更易于消化。至于“淀粉酶基因的获得是否受到用火技术驱动”的疑问,苏德曼称相关证据很薄弱,目前只可作猜测。
图片从12000年前开始,人类驯化小麦和其他富含淀粉的作物,这很可能推动了唾液淀粉酶基因的“扩张”
格库门推测,由于人类饮食越发倚重淀粉,自然选择或许青睐那些分泌更多唾液淀粉酶的人,更多淀粉酶也可能帮助他们吸收更多营养。
格库门等人分析过来自45000年前狩猎采集者遗骨的DNA片段,并估计这些人的染色体约有5个淀粉酶基因拷贝。狩猎采集者因基因突变而获得或丢失AMY1基因拷贝,但就已有证据而言,他们并未因拷贝数增加而获得任何进化优势。

到大约12000年前,情况发生变化。最后一个冰河时代结束,许多社会开始驯化农作物,其中包括富含淀粉的食物,如小麦、大麦和土豆。自那以后,欧洲和西亚地区的人类获得了越来越多唾液淀粉酶基因拷贝。

怎样解释这一趋势呢?似乎还是要搬来自然选择那一套:拥有更多AMY1基因的人更有可能存活和生育后代。
有趣的是,苏德曼和格库门团队都发现,淀粉酶浪潮不仅席卷欧洲和西亚,其他地方的古人也经历了类似演进——只要那里的饮食结构被淀粉攻陷。在一项尚未发表的研究中,格库门与同事指出,过去数千年间,秘鲁地区的AMY1基因拷贝数迅速增加,而土豆被秘鲁居民驯化是5000 多年前的故事。

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秘鲁地区的居民最先驯化了土豆

食物已上路,拷贝或外来

对现代社会人类而言,拥有更多AMY1基因拷贝似乎带不来繁衍方面的优势。那我们的祖先是怎样因唾液淀粉酶受益的?
要回答此问题,或许应重新思考唾液淀粉酶在口腔内的作用。传统观点里,这种酶是人体消化淀粉的第一步;但它的真正作用,有没有可能是向人体发出“食物已上路”的信号?
若上述推测成立,我们可以认为——更多唾液淀粉酶有助于促进产生更多胰岛素,让人体从淀粉处吸收更多糖。在饥荒时期,它帮助人们从少量食物中获取最大养分。AMY1基因拷贝关乎生死。
佩里则从另一种角度给出见解:自然选择并非AMY1基因席卷欧洲和西亚地区的唯一解释。因为不时有大批移民迁徙至此,并很快取代在当地生活数千年的老居民。新来者可能带入额外的唾液淀粉酶基因拷贝。


资料来源:

How humans evolved a starch-digesting superpower long before farming

How Early Humans Evolved to Eat Starch