Эволюция и ожирение

Столетие назад ожирение было редкостью. Сейчас люди во всем мире набирают вес, при этом 69% взрослых в США в настоящее время имеют избыточный вес или страдают ожирением. Ожирение связано с растущим уровнем проблем со здоровьем, таких как сердечно-сосудистые заболевания и диабет. Почему внезапное изменение? Является ли ожирение заложенным в наших генах или что-то в окружающей среде сделало нас толстыми в последние десятилетия?
Ответ оба. Люди различаются по тому, насколько легко они набирают вес, и большая часть этих различий закодирована в генах и передается из поколения в поколение. Однако рост ожирения произошел слишком быстро, чтобы быть вызванным генетическими изменениями. Генетические вариации, связанные с ожирением, были с нами на протяжении тысячелетий, но только в сочетании с современной окружающей средой они делают нас тучными.
Например, FTO (также известный как «Fatso») — это ген с самым сильным известным влиянием на распространенные типы ожирения. Некоторые варианты гена увеличивают риск ожирения, а другие снижают его. Однако эффекты FTO зависят от окружающей среды. Даже формы FTO с высоким риском мало влияют на жировые отложения у людей, которые много занимаются спортом или придерживаются диеты с низким содержанием жиров.

Требуется от 184 до 1840 поколений естественного отбора (от 5300 до 53000 лет), чтобы человеческая популяция претерпела значимые генетические изменения. Поскольку уровень ожирения почти утроился всего за несколько поколений, этот рост, вероятно, больше связан с изменениями в окружающей среде и образе жизни, чем с нашими генами. (График основан на отчете CDC)

Изменения, вызванные ранним опытом, взаимодействуют с нашими генами, а также с факторами окружающей среды и образа жизни на протяжении всей нашей жизни. На протяжении тысячелетий эти взаимодействия помогали людям поддерживать здоровый вес тела. Но за последние несколько десятилетий наша среда изменилась, нарушив баланс в нашей биологии и подтолкнув все больше и больше людей к ожирению.
В то время как уровень ожирения в нашем обществе растет, многие люди остаются стройными, и эта вариация не только вопрос силы воли. Люди сильно различаются по тому, насколько легко они набирают жир и насколько трудно ему его сбросить.
Гены
Генетические различия между людьми составляют от 50 до 70% различий в ИМТ, но генетика сложна. Количество жира в организме зависит от множества различных факторов, в том числе от того, насколько эффективно пищеварительная система извлекает питательные вещества из пищи, насколько легко питательные вещества откладываются в виде жира или сжигаются в качестве топлива, а также насколько мы голодны. На каждый из этих факторов влияют сотни генов.
Хотя есть несколько вариантов генов, которые резко увеличивают риск ожирения, они встречаются редко. Для большинства из нас каждый ген вносит лишь незначительный вклад в риск, но все они вместе могут создать разницу между естественной худобой и необходимостью бороться за поддержание здорового веса.
Даже у людей с одинаковым риском ожирения могут быть разные генетические причины этого риска. Из-за этого разным людям могут потребоваться разные подходы к управлению весом.
Эпигенетика
Когда ребенок зачат, последовательность его генов устанавливается на всю жизнь. Однако активность этих генов изменчива. Сигналы из окружающей среды влияют на наши гены, направляя их по разным путям развития. Некоторые из этих решений, связанных с развитием, влияют на то, насколько легко люди набирают вес в более позднем возрасте.
Либо слишком мало, либо слишком много питания в утробе матери может «запрограммировать» плод на набор веса в детстве и во взрослом возрасте. Женщины, испытывающие нехватку продовольствия во время беременности, как правило, рожают маленьких детей, но если пища доступна после рождения, дети наверстывают упущенное и набирают большое количество жира. Такие дети часто страдают от ожирения, диабета и сердечно-сосудистых заболеваний. Женщины с избыточным весом или набравшие лишний вес во время беременности, как правило, рожают более крупных и полных детей, и эти дети также подвержены повышенному риску развития ожирения.
микробиом
Кишечник человека содержит от двух до трех фунтов микроорганизмов, большинство из которых являются бактериями. Эти бактерии помогают нам получать больше энергии из пищи, расщепляя питательные вещества, которые мы не можем переварить самостоятельно. Они могут иметь и другие эффекты, такие как защита слизистой оболочки кишечника или стимуляция выработки гормонов, контролирующих аппетит. У разных людей разные типы бактерий, и эти различия могут играть роль в развитии ожирения.
У тучных людей, как правило, меньше видов кишечных бактерий, чем у худых, и виды бактерий находятся в других пропорциях. Пересадка бактерий между кишечником толстых и худых мышей может изменить эффективность переваривания пищи мышами, и аналогичные эксперименты продолжаются на людях. Человеческие младенцы с определенными кишечными бактериями чаще страдают ожирением в детстве. В настоящее время исследователи изучают, могут ли люди бороться с ожирением, дополняя свой рацион полезными бактериями или «пробиотиками».
Многое остается неизвестным о том, как кишечные бактерии взаимодействуют с жировыми отложениями. Отчасти это связано с тем, что разные бактерии питаются разными питательными веществами, поэтому их популяция в кишечнике во многом определяется тем, какие продукты вы едите. Когда диета, вес и кишечные бактерии меняются, исследователям трудно отделить причину от следствия.

Чтобы рассчитать, какая часть вариации признака вызвана генетическими факторами, исследователи могут сравнить однояйцевых и разнояйцевых близнецов. Поскольку у них больше общей генетической информации, однояйцевые близнецы, как правило, имеют более схожую массу тела, чем разнояйцевые близнецы.

Только часть клеточных генов активна в любой момент времени. В ответ на сигналы из окружающей среды клетки прикрепляют молекулярные метки к своей ДНК, регулируя состояние включения/выключения своих генов. Часто эти метки копируются вместе с ДНК при делении клетки. Некоторые могут даже передаваться через яйцеклетки и сперму от родителей к ребенку.

Связанный контент
Изучение таких долгосрочных факторов, влияющих на экспрессию генов без изменения последовательности ДНК, называется эпигенетикой .

Молодые мыши, выращенные в стерильной среде, получали кишечные микробы от худых или тучных мышей. Микробы, которые они получали, сильно влияли на вероятность набора веса.

Образ жизни людей сильно изменился на протяжении истории. График ниже показывает изменения, которые могут быть важны для понимания нашей нынешней эпидемии ожирения. Далее вы найдете объяснения того, как эти изменения могут взаимодействовать с нашей биологией, делая нас толстыми. У каждого объяснения есть некоторые исследователи, которые поддерживают его, и другие, которые настроены скептически.

БОЛЬШОЙ МОЗГ 2 миллиона лет назад
Около двух миллионов лет назад мозг предков человека начал резко увеличиваться в размерах. Для роста и поддержания большого мозга требуется много энергии, а жир на теле женщин и младенцев может способствовать подпитке развивающегося мозга.

АНАТОМИЧЕСКИ СОВРЕМЕННЫЕ ЛЮДИ 200 000 лет назад
Первые анатомически современные люди жили около 200 000 лет назад. Почти 190 000 лет они жили небольшими кочевыми племенами, добывая растительную пищу и охотясь на диких животных ради мяса. Большинство продуктов, доступных этим ранним людям, были с низким содержанием жира и простыми углеводами, такими как сахар, и люди упорно трудились, чтобы получить достаточное количество калорий.

НЕОЛИТИЧЕСКАЯ РЕВОЛЮЦИЯ 10 000 лет назад
Около 10 000 лет назад люди начали заниматься сельским хозяйством и выращивать скот для производства продуктов питания. Сельское хозяйство позволило большему количеству людей выжить на меньших участках земли. Многие отказались от кочевого образа жизни, чтобы построить большие постоянные поселения. Однако даже после появления сельского хозяйства средний человек все еще не мог позволить себе сидячий образ жизни. Без механизированных орудий ведение сельского хозяйства было тяжелым трудом.
С сельским хозяйством произошли диетические изменения, включая увеличение количества крахмалистых зерен, таких как пшеница и рис. Сегодня люди сильно различаются по своей способности переваривать крахмал, и те, кто хорошо его переваривает, как правило, принадлежат к популяциям с высоким содержанием крахмала в рационе.

СОВРЕМЕННЫЙ ОБРАЗ ЖИЗНИ 100 лет назад – сегодня
Технологический прогресс позволяет нам производить больше продуктов питания, чем когда-либо прежде. В развитом мире лишь небольшая часть населения занята производством продуктов питания, и большая часть труда выполняется машинами. У нас есть легкий доступ к такому количеству высококалорийной пищи, какое мы можем съесть, а физические упражнения — это роскошь, которую можно втиснуть в свободное время.
Наша жизнь изменилась и в других отношениях. Электрический свет и светящиеся экраны позволяют нам оставаться активными до поздней ночи, и мы подвергаемся воздействию тысяч синтетических химикатов и загрязняющих веществ, с которыми наши предки никогда не сталкивались.

До прошлого века люди подвергались большему риску недоедания или голодания, чем ожирения. Это неравномерное давление, возможно, сделало людей более склонными к накоплению жира, чем к его потере. Способность запасать лишние калории в виде жира во времена изобилия может помочь кому-то оставаться здоровым и плодовитым, когда пищи не хватает.
На протяжении тысяч поколений избирательное давление из-за нехватки пищи могло привести к развитию множества различных видов адаптации. Эти приспособления могут заставить нас хотеть богатой пищи, которую легко переваривать, или заставлять нас продолжать есть после того, как мы наелись. Они могут воздействовать на наше желание заниматься спортом, заставляя нас сидеть на месте и экономить энергию. Они могли бы позволить нам извлекать больше питательных веществ из пищи или направлять эти питательные вещества в жировые клетки, отвлекая от других функций организма. Ненадежные запасы продовольствия, вероятно, повлияли на нашу эволюцию во всех этих и многих других направлениях.
Те же приспособления, которые позволили нашим предкам преуспеть, теперь предрасполагают людей к набору опасного количества жира. Большинство людей в развитом мире могут получить столько еды, сколько они хотят, не вспотев. Люди все еще развиваются, но эволюция — это медленный процесс, и широко распространенное ожирение было возможно только на крошечном кусочке нашей истории. Мы толстеем, потому что наши тела приспособлены для преодоления проблем наших предков.

Чтобы определить, есть ли у людей лишний жир, исследователи часто используют показатель, называемый «индексом массы тела» или ИМТ, который представляет собой отношение веса к росту. ИМТ легко рассчитать для большого количества людей, и он может дать полезную информацию о показателях ожирения среди населения. Тем не менее, ИМТ — плохой способ судить о том, есть ли у конкретного человека здоровое количество жира. Формы тела различаются, и даже у худощавых людей может быть высокий ИМТ, если у них много мышц или крепкая костная структура.

Среди большинства млекопитающих молоко пьют только детеныши. То же самое относится и к большинству людей, но в некоторых обществах люди способны переваривать молоко на протяжении всей своей жизни. Почему и когда появилась эта способность?
Молоко содержит уникальный сахар, называемый лактозой, и детеныши млекопитающих переваривают его с помощью фермента лактазы, который они перестают вырабатывать после отлучения от груди. Генетические и археологические данные показывают, что способность производить лактазу на протяжении всей жизни, состояние, известное как персистенция лактазы, развилась примерно в то же время, что и молочное животноводство. Сегодня около 35% взрослых могут переваривать молоко, и они сконцентрированы в популяциях, которые в прошлом занимались молочным животноводством.
Стойкость лактазы позволяет людям, выращивающим коров, получать больше калорий из доступных им ресурсов. Мутации устойчивости к лактазе быстро распространялись среди популяций, что показывает, что они помогали людям выживать и размножаться. Теперь у большинства людей нет проблем с получением достаточного количества калорий, но европейцы с лактазной стойкостью по-прежнему имеют тенденцию быть тяжелее, чем те, у кого непереносимость лактозы. Способность переваривать молоко — это адаптация, сформированная дефицитом пищи прошлых поколений.

Сохранение лактазы у человека стало обычным явлением за последние 10 000 лет. Считается, что он возник в регионах мира, где люди разводили молочных коров. (На основе Gerbault и др., 2009 г.)

В организме есть внутренние часы, известные как «циркадный ритм». Эти часы регулируют ежедневные циклы активности на всех уровнях, от молекулярных процессов внутри клеток до поведения, такого как сон. В естественных условиях циркадный ритм задается солнечным светом, попадающим в глаза в течение дня. Каждый цикл составляет около двадцати четырех часов, при этом процессы тела соответствуют восходу и заходу солнца.

Мы больше не живем в естественных условиях. Воздействие искусственного света увеличилось в 100 000 раз по сравнению с керосиновыми лампами 1800-х годов, и оно освещает нас в любое время дня и ночи. Многие люди нарушают график сна, и появляется все больше доказательств того, что нарушения выходят за рамки сна, предрасполагая людей к ожирению и широкому спектру заболеваний.

Люди, которые регулярно не высыпаются, чаще страдают ожирением, а две ночи плохого сна могут вызвать гормональные изменения, усиливающие чувство голода. Лишение сна и сдвиги в графике вызывают изменения в организме, подобные тем, которые наблюдаются при диабете, и посменные рабочие подвергаются повышенному риску ожирения независимо от приема пищи и физических упражнений. В современном мире свет во тьме может быть скорее угрозой, чем маяком.

Синтетические химические вещества повсюду, и с 1800-х годов их воздействие на нас экспоненциально растет. Мы добавляем синтетические химические вещества в продукты питания и промышленные товары, используем их в промышленных процессах и выбрасываем в воздух и воду. В течение 20-го века люди, оценивающие безопасность этих химических веществ, обычно не ожидали увеличения веса в течение длительных периодов времени, и только сейчас стало известно о влиянии химических веществ на массу тела.
В последнее время ряд распространенных химических веществ связывают с увеличением веса. Большинство из них являются «эндокринными разрушителями» — веществами, которые мешают регулирующим молекулам, известным как гормоны. Дозы, которые вызывают увеличение веса, часто малы, как и дозы, которым подвергаются многие люди. Многие такие химические вещества накапливаются в жире, а когда люди теряют вес, они снова попадают в кровь. Их эффекты меняются с возрастом, а воздействие в утробе матери или в раннем детстве может вызвать пожизненные изменения.
Некоторые эндокринные разрушители были запрещены после десятилетий использования, в то время как другие, такие как фталаты и бисфенол А, все еще производятся и добавляются в такие продукты, как пластмассы и прокладки для консервных банок. По данным Всемирной организации здравоохранения, сотни химических веществ являются известными эндокринными разрушителями, в то время как еще тысячи недостаточно изучены.