作者:段歆涔 来源:中国科学报 发布时间:2013-8-5 14:42:56
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一杯牛奶强健一个大陆
奶制品演变史破解人类进化之谜

 
一个单核苷酸的基因突变使得古老的欧洲人开始喝牛奶,进而为欧洲大陆的一场巨变创造了条件。
 
在上世纪70年代,美国新泽西州普林斯顿大学的考古学家Peter Bogucki在波兰中部的肥沃平原挖掘一处石器时代的遗址时,发现了一套奇特的文物。约7000年前生活在这里的人是中欧第一批农民,他们留下了缀满小孔的陶瓷的碎片。
 
回顾考古文献,Bogucki发现了古代多孔陶瓷的其他例子。Bogucki说:“它们是如此的与众不同,人们总是将其收录在出版物中。”他曾在一个朋友的家中看到过类似的物件(用于制作奶酪),因此他推测这种带孔的陶瓷可能和当时的奶酪制作有关。但是他尚未想出检测该猜测的方法。
 
2011年,英国布里斯托大学地球化学家Mélanie Roffet-Salque取出了这些陶瓷碎片,分析了保存在粘土中的脂肪残留物。他在碎片上发现了丰富的乳脂肪,证据显示早期农民把陶瓷作为筛子,用来分离固体脂肪乳和液体乳清。这些从波兰发掘出的文物成为世界上已知的奶酪制作的最早物证。
 
Roffet-Salque的调查是欧洲牛奶历史研究项目的一部分。这个耗资330万欧元(440万美元)的项目于2009年启动,很多考古学家、化学家和基因学家参与其中。该团队的发现阐明了具有深远意义的问题:奶制品影响了人类在欧洲大陆的定居。
 
在最近的一个冰河时期里,基本而言,牛奶对于成年人是一种有毒物质,因为和儿童不同,成年人体内无法产生分解牛奶乳糖所需的乳糖酶。但是1.1万年前,在中东地区,农业开始取代狩猎及采集,牧民开始学习如何降低奶制品中的乳糖水平至可以承受的水平——通过发酵牛奶来制作奶酪或酸奶。几千年后,一种基因突变在整个欧洲悄然发生,使得人类体内能够产生乳糖酶,人们开始喝牛奶。这种对牛奶的适应能力为人类提供了新的营养来源。
 
这场分为两步的牛奶革命可能是允许农民和牧民从欧洲南部向整个大陆扩散并取代已存在千年的狩猎采集文化的一个主要因素。伦敦大学学院人口遗传学家Mark Thomas说:“从考古学的角度看,南部人口蔓延至欧洲北部的速度非常快。”这股移民浪潮在欧洲这片土地上留下了难以磨灭的印记,毕竟欧洲和世界上其他很多地区不同。(其他地区的人大多可以正常喝牛奶。)
 
强健的胃
 
婴儿几乎普遍能产生乳糖分解酵素,消化并吸收母亲乳汁中的乳糖。但是他们长大后,大部分人的乳糖酶基因被关闭。只有35%的人在七八岁之后还能消化乳糖。约克大学考古学家Oliver Craig说:“如果你属于乳糖不耐受人群,喝掉半品脱牛奶就有可能患病——剧烈的腹泻(基本上是痢疾)。我并不是指这会致命,但确实让人不舒服。”
 
保留了牛奶消化能力的人群的祖先,可以追溯到欧洲,他们这种特质的形成似乎与乳糖酶基因附近的一个基因组区域中的单核苷酸(DNA碱基从胞嘧啶向胸腺嘧啶的转变)相关。非洲西部、中东和南亚也存在因突变产生乳糖耐受性的例子。
 
欧洲这种单核苷酸突变发生的时间相对较晚,Thomas和他的同事通过查看现代人口中的遗传变异来估算时间,并通过计算机模拟相关基因突变是如何在古代人口中发生并扩散的。他们认为,乳糖耐受性的特征——被称为LP等位基因,大约于7500年前出现在广阔肥沃的匈牙利平原。
 
强大的基因
 
LP等位基因的出现,是一个重要的选择性优势。2004年的一份研究中,研究人员估计,发生基因突变的人群要比缺乏LP等位基因的人群所生育的后代多出19%。研究人员称:“至今还未发现基因组中某个基因有如此强的选择力量。”
 
如此重复选择几百代,这种优势能帮助人类席卷整个欧洲大陆,但必须在新鲜牛奶的供应量能跟得上的情况下。Thomas说:“这就是基因和文化的共同进步,它们之间相互促进。 ”
 
为了调查这段“相互作用”的历史,Thomas与德国美因兹约翰尼斯古腾堡大学古遗传学家Joachim Burger以及约克大学生物考古学家Matthew Collins合作,组织了一个名为LeCHE的(早期欧洲文化历史中的乳糖酶持久性)多学科项目,这一研究项目会聚了十几个来自欧洲各地的处于事业起步期的研究人员。
 
在研究人类分子生物学、考古学和古陶化学的过程中,LeCHE的参与者也希望解决一个关键的问题——现代欧洲人的起源。Thomas说:“这是考古学中一个经久不衰的问题:我们究竟是中东农民还是本土的后代?”是这些欧洲本地的狩猎采集者开始从事农业耕作和畜牧?还是由于基因和技术的结合,涌入的农业殖民者在和本地人的竞争中胜出?
 
牛奶还是肉
 
鉴于中东的乳业比欧洲LP等位基因早几千年出现,古代牧民必须找到方法以减少牛奶中的乳糖浓度,他们很可能采用了制作奶酪或酸奶等方法。
 
为了验证这个理论,LeCHE研究员在古代陶器上做了化学测试。碎片(多孔渗水的泥土)上含有充足的残留物,使得科学家得以区分在烹调过程中被吸收的脂肪类型:无论是肉类或奶类,还是来源于诸如牛、绵羊和山羊等反刍动物,或是其他动物。布里斯托大学化学家Richard Evershed说:“这使得我们知道哪种类型的食物正在被烹调。”
 
Roffet-Salque针对波兰陶器的研究工作提供了明确的证据:约6800年至7400年前,欧洲牧民开始生产奶酪以补充他们的饮食。到那时为止,奶制品已成为新石器时代饮食的一个组成部分,但它还不是经济的主导部分。
 
随后的步骤进展很缓慢,这似乎要求乳糖耐受性的传播。LP等位基因在人群中并不常见,直到它第一次出现之后。Burger研究了古代人类DNA样本中的突变,发现该突变可以追溯到6500年前(发生在德国北部)。
 
LeCHE项目参与者、伦敦大学学院人口遗传学家Pascale Gerbault创建了一个模型,解释该特征是如何传播的。由于中东地区的新石器文化迁入欧洲,他们的农业与牧业技术帮助其在与当地狩猎采集者的竞争中胜出。Gerbault说,南方人向北方流动的同时,LP等位基因也随着移民浪潮扩散。
 
驯服牲畜
 
新石器时代晚期和青铜时代早期(大约5000年前),LP等位基因在欧洲北部和中部的大部分地区已经很普遍,牧牛已在文化中占据主导地位。Burger说:“他们发现了这样的生活方式,从中获取了营养价值,于是又增加或加强放牧。”在许多中欧和北欧的新石器时代晚期和早期青铜时代考古遗址中,动物骨头中牛骨的记载超过2/3。
 
研究人员仍感到困惑:在这些地区,为什么牛奶消化能力成为了一种优势。Thomas认为,随着人们迁往北方,牛奶成为了应对饥荒的食物。奶制品能够在更寒冷的天气中贮存更长时间,提供丰富的能量来源,且不受植物生长季节和粮食欠收的支配。
 
其他人认为,在北方,牛奶可能对当地人尤其有帮助。因为牛奶中富含相对高浓度的维生素D,这种营养物有助于抵御诸如佝偻病等疾病。人类只有在暴露在太阳下才能自然合成维生素D,而北方人在冬季缺乏阳光。但是乳糖耐受性也在阳光明媚的西班牙扎根,使得这一关于维生素D发挥作用的说法遭到了怀疑。
 
对于如何用一系列交叉学科的方法回答考古学上的难题,LeCHE项目提供了一个典范。并未参与该研究的伦敦大学皇家霍洛威学院古遗传学家Ian Barnes说:“考古学、古人类学、古DNA和现代DNA、化学分析全部集中在一个问题上。其他饮食习惯的改变都能用这种方式进行研究。 ”(段歆涔)
 
《中国科学报》 (2013-08-05 第3版 国际)
 
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