Почему у людей разный цвет кожи: эволюция меланина

Эволюционный компромисс между двумя витаминами

Когда древние гоминиды около двух миллионов лет назад сбросили густой волосяной покров для эффективного охлаждения тела через потоотделение, обнажившаяся светлая кожа оказалась под прямыми лучами экваториального солнца. Организм ответил на это резким усилением синтеза темного пигмента эумеланина. Долгое время считалось, что темный цвет кожи закрепился исключительно для защиты от ожогов и рака кожи, однако эта гипотеза не объясняет действие естественного отбора. Онкологические заболевания развиваются преимущественно в зрелом возрасте, когда репродуктивный период уже пройден, поэтому они слабо влияют на передачу генов потомству.

Подлинную причину сформулировали антропологи Нина Яблонски и Джордж Чаплин в начале 2000-х годов. Эволюция цвета кожи шла под давлением двух разнонаправленных биохимических процессов, напрямую зависящих от ультрафиолетовых волн спектров А и В.

• Ультрафиолет спектра А проникает глубоко в дерму и разрушает фолаты, циркулирующие в кровеносных капиллярах. Нехватка витамина B9 у беременных женщин провоцирует тяжелые пороки развития нервной трубки у плода, а у мужчин приводит к нарушению сперматогенеза и бесплодию. Плотный слой эумеланина работает физическим экраном, поглощая излучение и защищая запасы фолиевой кислоты.
• Ультрафиолет спектра В требуется для запуска фотохимического синтеза холекальциферола из 7-дегидрохолестерина в кератиноцитах. Витамин D критически необходим для усвоения кальция, формирования крепкого скелета и работы врожденного иммунитета. Без него у детей развивается рахит, приводящий к деформации костей таза у женщин, что делало роды невозможными в первобытных условиях.

Около 60–70 тысяч лет назад популяции Homo sapiens начали выходить из Африки и расселяться по Евразии. В высоких широтах угол падения солнечных лучей острее, а атмосфера толще, поэтому лучи спектра В практически не доходят до поверхности земли на протяжении большей части года. Плотная пигментация в таких широтах блокировала те крохи излучения, которые могли бы запустить выработку жизненно важного витамина. Выживали и оставляли жизнеспособное потомство те группы, у которых возникали мутации, снижающие плотность пигмента.

Как работает биохимия меланина

Цвет кожи определяет не количество самих пигментных клеток, а характер их работы. Клетки-меланоциты расположены в базальном слое эпидермиса примерно в одинаковом количестве у всех здоровых людей независимо от их расы. Разница заключается в размере, количестве и типе меланосом — специальных органелл, которые синтезируют пигмент и передают его через отростки окружающим клеткам эпителия.

В организме человека вырабатываются две основные формы этого пигмента, соотношение которых задает индивидуальный тон кожи и волос.

• Эумеланин представляет собой плотный полимер темно-коричневого или черного цвета. Он обладает великолепными экранирующими свойствами, поглощает лучи широкого спектра и нейтрализует свободные радикалы, образующиеся при солнечном облучении.
• Феомеланин содержит включения аминокислоты цистеина и имеет красновато-желтый оттенок. Он хуже поглощает свет и под воздействием радиации сам способен распадаться с выделением активных форм кислорода, способствующих повреждению клеточных мембран.

У темнокожих людей меланосомы крупные, стабильные, равномерно наполнены эумеланином и распределяются по всей толщине эпидермиса вплоть до рогового слоя. У светлокожих меланосомы значительно мельче, сгруппированы мембранами и быстро разрушаются лизосомами по мере продвижения кератиноцитов к поверхности кожи.

Генетические механизмы и независимая эволюция

Осветление кожи в Евразии шло не единым потоком, а конвергентно. Европейские и восточноазиатские популяции шли к депигментации разными генетическими путями. Анализ древней ДНК показывает, что охотники-собиратели, пришедшие в Европу десятки тысяч лет назад, еще долго сохраняли смуглую кожу в сочетании со светлыми глазами. Кардинальное посветление коренного населения Европы закрепилось всего 6–8 тысяч лет назад, когда с Ближнего Востока распространилось неолитическое земледелие.

Охотники получали готовый витамин D с мясом диких животных и рыбой, поэтому дефицит солнца компенсировался рационом. Земледельцы перешли на питание злаковыми культурами, где этого витамина практически нет. Это создало жесточайшее эволюционное давление в пользу резкого сокращения синтеза меланина.

За вариации пигментации у человека отвечает несколько десятков генов, но основной вклад вносят несколько ключевых локусов.

• Ген MC1R кодирует рецептор меланокортина 1 типа. В африканских популяциях этот ген находится под жестким стабилизирующим отбором, блокирующим любые изменения структуры белка. В Европе мутации этого гена закрепились, что привело к распространению рыжих волос, светлой кожи и веснушек.
• Ген SLC24A5 отвечает за работу катионного обменника в меланосомах. Мутация аланин-треонин в 111-м положении появилась около 10–20 тысяч лет назад и объясняет треть различий в тоне кожи между европейскими и западноафриканскими группами.
• Гены OCA2 и HERC2 регулируют созревание меланосом и активность тирозиназы, влияя одновременно на цвет кожи и радужки глаз.
• В популяциях Восточной Азии аналогичное посветление кожи происходило с опорой на изменения других локусов, например OCA2 и MC1R с иными функциональными заменами, что подтверждает независимый характер отбора.