Международное исследование меняет представление о том, что воздействие токсичного свинца — преимущественно постиндустриальное явление. Исследование показывает, что наши предки периодически подвергались воздействию свинца на протяжении более двух миллионов лет, и что этот токсичный металл мог повлиять на эволюцию мозга, поведения и даже языка гоминидов.
Более того, научная статья, опубликованная в журнале Science Advances, добавляет фрагмент к головоломке о том, как люди превзошли своих кузенов, неандертальцев. Органоидные модели мозга с генетикой неандертальцев оказались более восприимчивы к воздействию свинца, чем человеческий мозг, что позволяет предположить, что воздействие свинца было более вредным для неандертальцев.
Под руководством учёных из Исследовательской группы геоархеологии и археометрии (GARG) университета Южного Креста (Австралия), Департамента экологической медицины Медицинской школы Икана при госпитале Маунт-Синай (Нью-Йорк, США) и Медицинской школы Калифорнийского университета в Сан-Диего (UCSD, США) исследование объединило новую ископаемую геохимию, передовые эксперименты с мозговыми органоидами и передовую эволюционную генетику, чтобы раскрыть удивительную историю о роли свинца в истории человечества.
Токсичная нить эволюции человека
До сих пор учёные считали, что воздействие свинца — это преимущественно современное явление, связанное с деятельностью человека, такой как добыча полезных ископаемых, плавка металлов, а также использование этилированного бензина и краски. Проанализировав 51 окаменевший зуб гоминидов и человекообразных обезьян, включая Australopithecus africanus, Paranthropus robustus, ранних Homo, неандертальцев и Homo sapiens, учёные обнаружили чёткие химические следы периодического воздействия свинца, продолжавшегося почти два миллиона лет.
Используя высокоточную лазерную абляционную геохимию в лаборатории GARG университета Южного Креста (расположенной в Лизморе, Новый Южный Уэльс) и на современном оборудовании Exposomics в центре Mount Sinai, исследователи обнаружили характерные «свинцовые полосы» в зубах, формирующиеся в детстве по мере роста эмали и дентина. Эти полосы отражают повторяющиеся эпизоды поглощения свинца как из окружающей среды (например, из загрязненной воды, почвы или вулканической активности), так и из собственных запасов организма в костях, высвобождаемых во время стресса или болезни.
«Наши данные показывают, что воздействие свинца было не просто результатом промышленной революции — оно было частью нашего эволюционного ландшафта, — сказал профессор Рено Жоаннес-Бойо, руководитель исследовательской группы GARG в университете Южного Креста. — Это означает, что мозг наших предков развивался под воздействием мощного токсичного металла, который мог формировать их социальное поведение и когнитивные способности на протяжении тысячелетий».
От окаменелостей к функции: свинец и ген языка
Команда также обратилась в лабораторию, чтобы изучить, как это древнее воздействие могло повлиять на развитие мозга. Используя органоиды человеческого мозга — миниатюрные модели мозга, выращенные в лаборатории, — они сравнили воздействие свинца на две версии ключевого гена развития NOVA1, который, как известно, регулирует экспрессию генов при воздействии свинца в процессе нейроразвития. Современная человеческая версия NOVA1 отличается от той, что обнаружена у неандертальцев и других вымерших гоминидов, но до сих пор учёные не знали, почему произошло это изменение.
При воздействии свинца на органоиды, несущие архаичный вариант NOVA1, наблюдались выраженные нарушения активности FOXP2, экспрессирующего нейроны в коре и таламусе — областях мозга, критически важных для развития речи и языка. Этот эффект был значительно менее выражен у органоидов с современным вариантом NOVA1.
«Эти результаты свидетельствуют о том, что наш вариант NOVA1, возможно, обеспечивает защиту от вредного неврологического воздействия свинца, — сказал профессор педиатрии/клеточной и молекулярной медицины и директор Интегрированного орбитального исследовательского центра космических стволовых клеток Института стволовых клеток Санфорда при Калифорнийском университете в Сан-Диего Алиссон Муотри. — Это исключительный пример того, как экологическое давление, в данном случае токсичность свинца, могло привести к генетическим изменениям, 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 создание современных людей
Генетический и протеомный анализ в данном исследовании показал, что воздействие свинца на архаичные органоиды нарушило пути, участвующие в нейроразвитии, социальном поведении и коммуникации. В частности, изменение активности FOXP2 указывает на возможную связь между воздействием свинца в древности и эволюционным совершенствованием языковых способностей у современных людей.
«Это исследование показывает, как воздействие окружающей среды повлияло на нашу эволюцию, — сказал профессор Маниш Арора, заместитель председателя кафедры экологической медицины. — С точки зрения межвидовой конкуренции, наблюдение, что токсическое воздействие может обеспечить 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 обусловлено в основном деятельностью человека, оно остаётся серьёзной проблемой глобального здравоохранения, особенно для детей. Результаты исследования подчёркивают тесную взаимосвязь между токсинами окружающей среды и биологией человека и предупреждают, что наша уязвимость к свинцу может быть наследием прошлого.
«Наша работа не только переписывает историю воздействия свинца, — добавил профессор Джоаннес-Бойо, — но и напоминает нам, что взаимодействие между нашими генами и окружающей средой формировало наш вид на протяжении миллионов лет и продолжает это делать».
В исследовании анализировались ископаемые зубы из Африки, Азии, Европы и Океании с использованием передового геохимического картирования для выявления закономерностей воздействия свинца в детском возрасте. Лабораторные эксперименты с мозговыми органоидами, содержащими как современные, так и архаичные гены NOVA1, изучали влияние свинца на развитие мозга, уделяя особое внимание гену FOXP2, отвечающему за речь и язык. Генетические, транскриптомные и протеомные данные были объединены для создания комплексной картины возможного влияния свинца на эволюцию социального поведения и когнитивных способностей гоминидов.
