Международная исследовательская группа совершила прорыв, который кардинально меняет устоявшиеся представления о воздействии свинца на человека. Долгое время считалось, что проблема отравления свинцом – это преимущественно явление современности, связанное с промышленностью. Однако новые данные убедительно показывают, что предки человека сталкивались с этим токсичным металлом на протяжении более двух миллионов лет. Это открывает неожиданную перспективу: свинец мог сыграть значительную роль в формировании эволюции мозга, поведения и, возможно, даже языка гоминидов.
Исследование, опубликованное в престижном журнале Science Advances, предлагает новый взгляд на давний вопрос: почему Homo sapiens в конечном итоге превзошел неандертальцев. Ученые обнаружили, что выращенные в лаборатории органоиды мозга, несущие генетические варианты неандертальцев, реагировали на свинец гораздо сильнее, чем органоиды с генетическими особенностями современного человека. Это наводит на мысль, что неандертальцы, возможно, были значительно более уязвимы к нейротоксическому воздействию свинца.
Ученые из Австралии (Geoarchaeology and Archaeometry Research Group, Southern Cross University), США (Department of Environmental Medicine, Icahn School of Medicine at Mount Sinai Hospital и School of Medicine, University of California San Diego) объединили усилия, применив комплексный подход. Они использовали данные химического анализа ископаемых останков, эксперименты с органоидами мозга и знания эволюционной генетики, чтобы воссоздать картину того, как свинец влиял на историю гоминидов.
Долгое время считалось, что токсичность свинца была практически исключительно результатом человеческой индустриальной деятельности – плавки металлов, добычи полезных ископаемых, использования этилированного бензина и свинцовых красок. Однако эта точка зрения претерпела изменения после того, как исследователи проанализировали 51 ископаемый зуб различных гоминидов и человекообразных обезьян. Среди изученных образцов были зубы Australopithecus africanus, Paranthropus robustus, ранних Homo, неандертальцев и Homo sapiens. Все они содержали явные химические следы прерывистого воздействия свинца, dating back почти на два миллиона лет.
Высокоточное геохимическое датирование методом лазерной абляции, проведенное в лабораториях Southern Cross University и Mount Sinai, позволило обнаружить четкие «свинцовые полосы» в эмали и дентине исследованных зубов. Эти полосы формировались в детстве и свидетельствуют о неоднократных периодах поступления свинца в организм. Источниками могли быть окружающая среда – загрязненная вода, почва, вулканическая активность – или же свинец, хранившийся в костях и высвобождающийся во время стресса или болезней.
«Наши данные показывают, что воздействие свинца – это не просто следствие Промышленной революции, это было частью нашего эволюционного ландшафта», – отмечает профессор Рено Жоаннес-Бойо, руководитель исследовательской группы GARG из Southern Cross University.
«Это означает, что мозг наших предков развивался под постоянным влиянием мощного токсичного металла, что могло формировать их социальное поведение и когнитивные способности на протяжении тысячелетий».
Чтобы понять функциональное влияние свинца на развитие, команда ученых обратилась к органоидам человеческого мозга. Эти выращенные в лаборатории мини-модели мозга служат упрощенными объектами для изучения ранних стадий развития нервной системы. Исследователи изучали, как свинец воздействует на две версии ключевого гена развития – NOVA1. Этот ген регулирует экспрессию других генов в процессе нейроразвития, особенно в условиях воздействия свинца. Ранее было известно, что современный человеческий вариант NOVA1 отличается от того, что наблюдался у неандертальцев и других вымерших гоминидов, однако причины такого эволюционного изменения оставались неясными.
При воздействии свинца органоиды, несущие неандертальский вариант гена NOVA1, демонстрировали значительные нарушения в работе нейронов, экспрессирующих ген FOXP2. Эти нейроны расположены в коре и таламусе – областях мозга, критически важных для развития языка и речи. В то же время органоиды с современным человеческим вариантом гена NOVA1 показали гораздо меньшие нарушения.
«Эти результаты предполагают, что наш вариант гена NOVA1 мог обеспечить защиту от вредных неврологических эффектов свинца», – комментирует профессор Алисcон Муотри, руководитель Интегрированного центра орбитальных исследований стволовых клеток в космосе при Институте стволовых клеток Сэнфорд в Калифорнийском университете в Сан-Диего.
«Это выдающийся пример того, как давление окружающей среды, в данном случае токсичность свинца, могло стимулировать генетические изменения, которые улучшили выживаемость и нашу способность общаться с помощью языка. Однако эти же изменения теперь влияют и на нашу уязвимость к воздействию свинца в современных условиях», – добавляет профессор Муотри.
Генетические и протеомные данные исследования показали, что воздействие свинца на органоиды с «архаичными» генетическими вариантами нарушало множество клеточных путей, связанных с нейроразвитием, коммуникацией и социальным поведением. Особенно примечательны нарушения, касающиеся гена FOXP2, чья роль в развитии речи и языка хорошо изучена и подтверждена. Эти результаты убедительно указывают на то, что длительное воздействие токсинов окружающей среды могло направить когнитивные и коммуникативные черты современного человека и неандертальцев по разным эволюционным путям.
«Это исследование демонстрирует, как наше взаимодействие с окружающей средой формировало нашу эволюцию», – подчеркивает профессор Маниш Арора, заместитель заведующего кафедрой экологической медицины.
«С точки зрения межвидовой конкуренции, наблюдение за тем, как токсические воздействия могут давать общее преимущество в выживании, предлагает новую парадигму для экологической медицины, позволяя исследовать эволюционные корни расстройств, связанных с воздействием окружающей среды», – поясняет профессор Арора.
Хотя в наши дни воздействие свинца преимущественно связано с промышленной деятельностью, оно по-прежнему представляет серьезную угрозу для здоровья, особенно для детей. Новые открытия показывают, что предрасположенность человека к влиянию свинца может быть глубоко укоренена в нашем эволюционном прошлом и сформирована сложным взаимодействием между генами и условиями окружающей среды.
«Наша работа не просто переписывает историю воздействия свинца, – добавляет профессор Жоаннес-Бойо, – она также напоминает нам о том, что взаимодействие между нашими генами и окружающей средой формировало наш вид на протяжении миллионов лет и продолжает делать это и сегодня».
В ходе исследования были использованы ископаемые зубы, найденные в Африке, Азии, Европе и Океании. Детальное геохимическое картирование позволило отследить эпизоды поступления свинца в организм в детстве. Параллельно, с помощью органоидов мозга, содержащих либо современный, либо архаичный варианты гена NOVA1, изучалось влияние свинца на развитие мозга, с особым акцентом на ген FOXP2, который играет центральную роль в формировании языка. Генетические, транскриптомные и протеомные анализы были объединены для создания всестороннего понимания того, как свинец мог повлиять на эволюцию когнитивных способностей и социального поведения гоминидов.
