اجداد انسان چگونه با هضم نشاسته سازگار شدند؟

از پیراشکی و بیسکوییت گرفته تا پوره سیب‌زمینی، به محض اینکه خوراکی‌های حاوی نشاسته را در دهان می‌گذاریم، آنزیم تجزیه‌کننده‌ی نشاسته در بزاق که به عنوان «آمیلاز» شناخته می‌شود، فرآیند تجزیه‌ی نشاسته را آغاز می‌کند. اما آیا نیاکان ما از ابتدا با هضم نشاسته سازگار بوده‌اند؟ آمیلاز در جوامع باستانی، چه نقشی در سازگاری با رژیم‌های غذایی غنی از نشاسته ایفا کرده است؟ دو مطالعه‌ی جدید نشان می‌دهند که انسان‌های باستانی، از تنوع ژنتیکی بالایی در زمینه‌ی تولید آمیلاز برخوردار بودند.

آنزیم آمیلاز، نقشی اساسی را در تکامل انسان‌ها و سازگاری با منابع غذایی جدید ایفا کرده است. براساس یافته‌ها، نیاکان ما در دو موج تاریخی مهم به تعداد بیشتری از ژن‌های آمیلاز مجهز شدند: نخستین موج چند صد هزار سال پیش، احتمالاً هم‌زمان با آشنایی انسان‌ها با پخت‌وپز و دومین موج، با آغاز انقلاب کشاورزی در زمانی حدود ۱۲ هزار سال پیش رخ داد.

عمر گوکجومن، ژنتیک‌دان در دانشگاه بوفالو و سرپرست یکی از مطالعه‌ها که نتایج آن در مجله ساینس منتشر شد، به نیویورک‌تایمز گفت: «ترکیب توانایی‌های سازگاری با محیط‌های گوناگون و تغییر رژیم غذایی، از ویژگی‌های عمده‌ای است که ما را به انسان تبدیل می‌کند.»

مطالعه‌ی گروه گوکجومن نشان می‌دهد که با تغییر رژیم غذایی در جوامع باستانی، تعداد ژن‌های آمیلاز در افراد نیز تغییر کرده است. گوکجومن می‌گوید امروزه افرادی که ژن‌های آمیلاز کمتری دارند، ممکن است نسبت به بیماری‌هایی مانند دیابت که رژیم‌های غذایی پرنشاسته به گسترش آن‌ها دامن می‌زند، آسیب‌پذیرتر باشند. یافته‌های مطالعه، ممکن است در آینده به ابداع روش‌های درمانی جدید مبتنی بر آمیلاز منجر شود.

اولین نشانه‌ها از تاریخ شگفت‌انگیزی که در دهان انسان پنهان است، در دهه ۱۹۶۰ کشف شد. در آن زمان، دانشمندان دریافتند که در بزاق برخی افراد آمیلاز بیشتری تولید می‌شود. اما در سال‌های اخیر، با پیشرفت فناوری توالی‌یابی دی‌ان‌ای، امکان مطالعه‌ی دقیق ژن‌های آمیلاز و شناسایی تنوع آن‌ها نیز فراهم شده است.

هر دو گروه پژوهشی دکتر سودمنت و دکتر گوکجومن، طیف گسترده‌ای از نسخه‌های ژن آمیلاز را در دی‌ان‌ای افراد شناسایی کرده‌اند. برخی فقط یک نسخه ژن آمیلاز بر روی هر کروموزوم داشتند، در حالی که بسیاری از افراد نسخه‌های بیشتری از این ژن را در کروموزوم‌های خود حمل می‌کردند. در برخی موارد، تعداد حتی تا ۱۱ نسخه می‌رسید.

تعداد بالای نسخه‌های آمیلاز، انسان‌ها را به طور چشمگیری از دیگر گونه‌ها متمایز می‌کند. شامپانزه‌ها و سایر میمون‌ها نیز آمیلاز تولید می‌کنند، اما فقط یک ژن برای این آنزیم دارند.

گروه گوکجومن به شواهدی از فسیل‌ها درمورد افزایش تعداد ژن‌های آمیلاز در نیاکان ما دست یافته‌اند. محققان بخش‌هایی از دی‌ان‌ای را از استخوان‌های انسان‌های شکارچی گردآورنده‌ای که ۴۵ هزار سال پیش زندگی می‌کردند، استخراج کرده و تخمین زدند که این انسان‌ها حدود پنج نسخه از ژن‌های آمیلاز داشتند. بررسی فسیل‌های نئاندرتال‌ها نیز وجود چندین نسخه از ژن آمیلاز را تأیید کرد.

گوکجومن می‌گوید با توجه به این موضوع که نیاکان مشترک انسان‌های مدرن و نئاندرتال‌ها بیش از ۶۰۰ هزار سال پیش می‌زیسته‌اند، ممکن است نسخه‌های اضافی ژن‌های آمیلاز در همان زمان تکامل یافته باشد؛ شاید در دورانی که این انسانیان توانایی مهار آتش را به دست آورده بودند.

پیش از ظهور پخت‌وپز، نیاکان ما نمی‌توانستند از گیاهان غده‌مانند و گیاهان نشاسته‌دار خام به‌خوبی استفاده کنند؛ اما گرمای آتش، بافت‌های سخت این گیاهان را می‌شکست و هضم آن‌ها را آسان‌تر می‌کرد. گوکجومن می‌گوید: «اثر تغییر ایجاد‌شده توسط پخت‌وپز، به‌اندازه‌ی تفاوت شب و روز بود.»

گوکجومن معتقد است که با وابستگی بیشتر انسان‌ها به نشاسته در رژیم غذایی، انتخاب طبیعی به سود افرادی عمل کرد که آمیلاز بیشتری در بزاق خود تولید می‌کردند؛ چرا که آنزیم‌های اضافی می‌توانستند به جذب مواد مغذی بیشتری کمک کنند.

براساس نتایج مطالعه‌ی نیچر، سودمنت نیز به شواهدی دست یافت که نشان می‌دهد ژن‌های آمیلاز، از صدها هزار سال پیش در نیاکان ما شروع به تکثیر کرده‌اند. او معتقد است که آتش می‌تواند محرکی برای تکامل باشد، اما شواهد کافی برای این فرضیه وجود ندارد و آن را فقط به‌عنوان یک احتمال مطرح می‌کند. او می‌گوید: «این صرفاً حدس و گمان من است.»

جوامع شکارچی گردآورنده‌ی اولیه، جهش‌هایی را تجربه کردند که ژن‌های بیشتری از آمیلاز را به دی‌ان‌ای آن‌ها افزود، در حالی که برخی دیگر به‌دلیل جهش‌هایی متفاوت، ژن‌های کمتری داشتند. بااین‌حال، مطالعات جدید هیچ نشانه‌ای از مزیت تکاملی را در شکارچی گردآورندگان دارای ژن‌های اضافی آمیلاز، مشاهده نکرده‌اند.

بر اساس یافته‌های مطالعات، روند افزایش ژن‌های آمیلاز حدود ۱۲ هزار سال پیش به طور چشمگیری تغییر کرد. با پایان آخرین عصر یخبندان، جوامع مختلف به کاشت و اهلی‌سازی گیاهان، از جمله خوراکی‌های نشاسته‌داری مانند گندم، جو و سیب‌زمینی پرداختند.

هر دو گروه محققان به شواهد دیگری نیز دست یافتند که نشان می‌دهد در هر نقطه‌ای از جهان که انسان‌ها به رژیم غذایی سرشار از نشاسته روی آورده‌اند، انتخاب طبیعی با شدت بیشتری به نفع آمیلاز عمل کرده است.

گروه گوکجومن در پژوهشی که هنوز منتشر نشده، نتیجه گرفته‌اند که در پرو، محل پنج هزار ساله‌ی کشت سیب‌زمینی، تعداد نسخه‌های اضافی آمیلاز در چند هزار سال گذشته به‌سرعت افزایش یافته است.

سودمنت می‌گوید: «ممکن است این فرضیه که آمیلاز به‌شدت مورد‌علاقه‌ی انتخاب طبیعی قرار گرفته، غیرمنتظره و حتی عجیب به‌نظر برسد، اما شاید چندان هم عجیب نباشد. زیرا این بخش از ژنوم هم انعطاف‌پذیر و هم بسیار قدرتمند است.»

آمیلاز همچنان رازهای عمیقی دارد. امروزه میزان آنزیمی که هر فرد تولید می‌کند، تأثیر خاصی بر وضعیت سلامت یا موفقیت تولیدمثلی او ندارد. اگر امروزه ژن‌های اضافی آمیلاز مزیتی ندارند، پس چگونه برای نیاکان ما سودمند واقع شده‌اند؟

در شرایط عادی، سیگنال دریافت غذا ممکن است اهمیت چندانی نداشته باشد؛ اما در دوره‌های قحطی، می‌توانست به عنوان تضمین عمل کند تا انسان‌ها بتوانند از اندک غذایی که در دسترسشان بوده، به‌ بهترین شکل ممکن بهره ببرند.

گوکجومن می‌گوید: «اگر نان زیادی در دسترس باشد، مشکلی وجود ندارد؛ اما اگر در حال تلاش برای بقا باشید، این موضوع می‌تواند به معنای مرگ یا زندگی باشد.»

جورج پری، ژنتیک‌دان انسان‌شناختی در دانشگاه ایالتی پنسیلوانیا، هشدار می‌دهد که توجه بسیار بالای انتخاب طبیعی شدید به ژن آمیلاز، شاید تنها توضیح برای گسترش آن در اروپا و آسیای غربی نباشد. در طول تاریخ، گروه‌های بزرگی از مناطقی به مناطق دیگری مهاجرت کرده و جایگزین جوامع بومی شده‌اند. تازه‌واردان، شاید ژن‌های اضافی آمیلاز را با خود حمل کرده و منتقل کرده باشند.