Наш мозг эволюционировал благодаря… свинцу? Новое исследование удивляет ученых

Ученые обнаружили, что воздействие свинца в древности повлияло на раннюю эволюцию человека. Этот токсин, возможно, сыграл неожиданную роль в развитии современного мышления и языка.

Международная группа ученых опровергла давнее убеждение, что воздействие свинца является в основном современной, постиндустриальной проблемой. Их исследования показывают, что предки человека периодически сталкивались с этим токсичным металлом на протяжении более двух миллионов лет, и что такое воздействие, возможно, повлияло на эволюцию мозга гоминидов, их поведение и даже на зарождение языка.

Исследование, опубликованное в журнале Science Advances, также предлагает новые подсказки о том, как современные люди могли получить преимущество над неандертальцами. Эксперименты с использованием органоидов мозга с генетическими вариантами неандертальцев показали, что эти мозги были более чувствительны к воздействию свинца, чем мозги с генетикой современных людей, что позволяет предположить, что неандертальцы были более уязвимы к вредному воздействию этого металла.

Исследование проводилось под руководством Исследовательской группы по геоархеологии и археометрии (GARG) Университета Саузерн Кросс (Австралия) в сотрудничестве с кафедрой экологической медицины Медицинской школы Икана при больнице Маунт-Синай (Нью-Йорк, США) и Медицинской школой Университета Калифорнии в Сан-Диего (UCSD, США). Команда исследователей объединила передовые методы геохимии окаменелостей, исследования органоидов мозга и эволюционную генетику, чтобы выявить неожиданную связь между токсинами окружающей среды и эволюцией человека.

Токсичная нить в эволюции человека
Ранее ученые предполагали, что воздействие свинца происходило в основном от промышленных видов деятельности, таких как добыча полезных ископаемых, плавка и использование этилированного топлива и краски. Однако, проанализировав 51 окаменелый зуб ранних гоминидов и человекообразных обезьян, включая Australopithecus africanus, Paranthropus robustus, ранних Homo, неандертальцев и Homo sapiens, исследователи обнаружили явные химические следы многократного воздействия свинца, датируемые почти двумя миллионами лет назад.

Используя высокоточную геохимию лазерной абляции в центре GARG Университета Южного Креста в Лисморе (Новый Южный Уэльс) и передовые технологии лабораторий Exposomics горы Синай, команда обнаружила в зубах отчетливые «свинцовые полосы». Эти полосы, которые образовались в детском возрасте в процессе развития эмали и дентина, указывают на многократные эпизоды поглощения свинца как из окружающей среды (включая загрязненную воду, почву или вулканическую деятельность), так и из внутренних запасов костей, которые высвобождали свинец в периоды стресса или болезни.

«Наши данные показывают, что воздействие свинца было не только результатом промышленной революции — оно было частью нашего эволюционного ландшафта», — сказал профессор Рено Жоаннес-Бойо, руководитель исследовательской группы GARG в Университете Саузерн Кросс.

«Это означает, что мозг наших предков развивался под воздействием сильнодействующего токсичного металла, который, возможно, формировал их социальное поведение и когнитивные способности на протяжении тысячелетий».

От окаменелостей к функции: свинец и ген языка
Команда также обратилась к лабораторным исследованиям, чтобы изучить, как это древнее воздействие могло повлиять на развитие мозга. Используя органоиды человеческого мозга, миниатюрные модели мозга, выращенные в лаборатории, они сравнили влияние свинца на две версии ключевого гена развития под названием NOVA1, который, как известно, координирует экспрессию генов при воздействии свинца во время нервно-психического развития. Современная человеческая версия NOVA1 отличается от той, что была обнаружена у неандертальцев и других вымерших гоминидов, но до сих пор ученые не знали, почему произошло это изменение.

Когда органоиды, несущие архаичный вариант NOVA1, подвергались воздействию свинца, они демонстрировали заметные нарушения в активности FOXP2 — экспрессирующих нейронов в коре и таламусе — областях мозга, которые имеют решающее значение для развития речи и языка. Этот эффект был гораздо менее выражен в органоидах с современным вариантом NOVA1.

«Эти результаты позволяют предположить, что наш вариант NOVA1 мог обеспечивать защиту от вредного воздействия свинца на нервную систему», — сказал профессор Алиссон Муотри, профессор педиатрии/клеточной и молекулярной медицины и директор Интегрированного космического исследовательского центра стволовых клеток Института стволовых клеток Санфорда при Калифорнийском университете в Сан-Диего.

«Это необыкновенный пример того, как воздействие окружающей среды, в данном случае токсичность свинца, могло вызвать генетические изменения, которые улучшили выживаемость и нашу способность общаться с помощью языка, но которые теперь также влияют на нашу уязвимость к современному воздействию свинца».

Генетика, нейротоксины и становление современного человека
Генетический и протеомический анализ в рамках этого исследования показал, что воздействие свинца на органоиды архаичного варианта нарушало пути, участвующие в нервно-психическом развитии, социальном поведении и коммуникации. Изменение активности FOXP2, в частности, указывает на возможную связь между древним воздействием свинца и эволюционным совершенствованием языковых способностей современного человека.

«Это исследование показывает, как воздействие окружающей среды сформировало нашу эволюцию», — сказал профессор Маниш Арора, профессор и заместитель председателя кафедры экологической медицины.

«С точки зрения межвидовой конкуренции, наблюдение о том, что воздействие токсичных веществ может дать общее преимущество в выживании, предлагает новую парадигму для экологической медицины, позволяющую исследовать эволюционные корни расстройств, связанных с воздействием окружающей среды».

Современные уроки древней проблемы
Хотя сегодня воздействие свинца в основном связано с промышленностью, оно остается серьезной глобальной проблемой здравоохранения, особенно для детей. Результаты исследования подчеркивают, насколько глубоко взаимосвязаны экологические токсины и биология человека, и предупреждают, что наша уязвимость к свинцу может быть унаследованным наследием нашего прошлого.

«Наша работа не только переписывает историю воздействия свинца, — добавил профессор Жоаннес-Бойо, — она также напоминает нам, что взаимодействие между нашими генами и окружающей средой формировало наш вид на протяжении миллионов лет и продолжает это делать».

Об исследовании
В ходе исследования были проанализированы окаменелые зубы из Африки, Азии, Европы и Океании с использованием передовых методов геохимического картирования для выявления закономерностей воздействия свинца на детей. В лабораторных экспериментах с органоидами мозга, несущими современные или архаичные гены NOVA1, было изучено влияние свинца на развитие мозга с упором на FOXP2, ген, играющий центральную роль в речи и языке. Генетические, транскриптомные и протеомные данные были объединены для создания комплексной картины того, как свинец мог повлиять на эволюцию социального поведения и когнитивных способностей гоминидов.