Почему у людей разный цвет кожи и как это связано с ультрафиолетом

Эволюционная дилемма между двумя витаминами

Цвет кожи человека определяется количеством и типом пигмента меланина. Этот пигмент вырабатывают клетки меланоциты, расположенные в базальном слое эпидермиса. Долгое время считалось, что темная кожа защищает исключительно от рака кожи. Однако рак кожи обычно развивается в пожилом возрасте, то есть уже после репродуктивного периода, поэтому он слабо влиял на естественный отбор. Настоящий эволюционный двигатель лежал глубже и касался способности выживать и оставлять потомство.

В 1990-х и 2000-х годах антропологи Нина Яблонски и Джордж Чаплин доказали, что географическое распределение пигментации кожи сформировалось под действием двух противоборствующих сил. Первая сила — сохранение фолиевой кислоты (витамина B9). Жесткое ультрафиолетовое излучение спектра А (UVA) легко проникает сквозь поверхностные слои кожи и разрушает фолаты, циркулирующие в кровеносных капиллярах. Нехватка фолиевой кислоты у беременных женщин приводит к дефектам нервной трубки у плода, а у мужчин нарушает сперматогенез. Плотный слой темного эумеланина экранирует сосуды, защищая молекулы фолатов от фотолиза.

Вторая сила — необходимость синтеза витамина D3 под действием ультрафиолетовых лучей спектра B (UVB). В отличие от лучей типа А, лучи типа B обладают меньшей проникающей способностью и интенсивно поглощаются озоновым слоем, особенно в высоких широтах. Когда древние популяции Homo sapiens вышли из Африки и продвинулись на север, они столкнулись с резким падением дозы UVB. В таких условиях люди с темной кожей испытывали острый гиповитаминоз D. Без этого вещества кальций не усваивается костями, что приводит к рахиту у детей и деформации костей таза у женщин, делая нормальные роды невозможными.

Два вида меланина и химическая основа пигментации

Меланоциты упаковывают пигмент в специальные органеллы — меланосомы, которые затем передаются соседним клеткам, кератиноцитам. В кератиноцитах меланосомы выстраиваются над клеточным ядром в виде защитного микроскопического зонтика, предохраняя молекулы ДНК от мутаций под воздействием излучения.

Биосинтез меланина стартует с аминокислоты тирозина при участии фермента тирозиназы. При этом в организме человека образуются две основные разновидности пигмента:

• Эумеланин представляет собой черно-коричневый полимер, который эффективно поглощает излучение широкого спектра и нейтрализует свободные радикалы.
• Феомеланин имеет желтовато-красный оттенок, содержит цистеин и хуже поглощает фотоны, а под действием ультрафиолета сам может провоцировать окислительный стресс.

Индивидуальный тон кожи и цвет волос зависят от соотношения этих двух фракций, размера меланосом и плотности их распределения в тканях. У людей коренных популяций тропиков меланосомы крупные, насыщены эумеланином и распределены по отдельности. У светлокожих жителей высоких широт меланосомы мельче, часто сгруппированы в кластеры и быстрее разрушаются ферментами верхних слоев кожи.

Генетические маркеры адаптации

Пигментация кожи относится к полигенным признакам, в формировании которых участвуют десятки локусов. Полногеномные исследования древней и современной ДНК показали, что посветление кожи в разных популяциях Евразии происходило независимо друг от друга через разные генетические механизмы.

Ключевую роль в регуляции переключения между эумеланином и феомеланином выполняет рецептор меланокортина первого типа, кодируемый геном MC1R. Мутации в этом гене ведут к снижению синтеза темного эумеланина и преобладанию рыжих оттенков волос и светлой кожи.

Около 2005 года генетики установили роль гена SLC24A5 на пятнадцатой хромосоме. Мутация A111T в этом гене возникла на Ближнем Востоке или в западной Евразии и обуславливает светлый тон кожи у большинства современных европейцев. Эта замена снизила накопление меланина в меланосомах примерно на треть. При этом у коренного населения Восточной Азии депигментация шла по другому генетическому маршруту, главным образом с участием генов OCA2 и DCT, что служит классическим примером конвергентной эволюции.

Географический градиент и исключения из правил

Если сопоставить карту среднегодового ультрафиолетового индекса со шкалой естественной пигментации коренных народов, обнаруживается четкая широтная корреляция. На экваторе живут народы с максимально темной кожей, а ближе к полярным кругам показатель отражения света кожей плавно растет. Тем не менее существуют выразительные исключения, подтверждающие исходную экологическую гипотезу.

Коренные народы Крайнего Севера, включая инуитов, чукчей и эскимосов, имеют смуглый оттенок кожи вопреки низкому уровню солнечной радиации в Арктике. Объяснение кроется в традиционной диете. На протяжении тысячелетий рацион северных охотников состоял из жирной морской рыбы, печени тюленей и китового жира. С этой пищей люди получали избыточное количество готового витамина D, поэтому естественный отбор в пользу резкого посветления кожи у них не действовал. Смуглая кожа дополнительно защищала их сетчатку и лицо от яркого ультрафиолета, отраженного от снега и льда.

Другой фактор связан с высотностью. В высокогорных районах Тибета или Анд плотность атмосферы снижена, поэтому ультрафиолетовое излучение оказывается жестким даже в умеренных широтах. Местное население сохранило плотную пигментацию как раз для защиты от избыточных доз радиации на больших высотах.