10 Minutės
Nauji tarpdisciplininiai tyrimai rodo, kad švino (Pb) poveikis — ilgai laikytas tik šiuolaikiniu teršalu — buvo hominidų patirtys daugiau nei prieš du milijonus metų. Keliant šiuolaikines metodikas kartu su tradiciniais paleokemijos analizės būdais, tarptautinė mokslininkų komanda atskleidė įrodymų, kad pasikartojantis švino poveikis vaikystėje galėjo formuoti smegenų vystymąsi, socialinį elgesį ir net kalbos evoliuciją. Tyrime sujungtos fosilijų geochemijos analizės, laboratorijoje auginti smegenų organoidai ir genetinė analizė siekia aiškinti priežastinius ryšius tarp aplinkos veiksnių ir neuroevoliucijos.
Revoliucinis tarptautinis tyrimas atskleidžia, kad žmonės ir jų protėviai buvo veikiami toksiško metalo švino daugiau nei du milijonus metų — gerokai prieš industrinę epochą. Credit: Stock
Toksiška gija gilumoje
Tradiciškai pavojingi švino kiekiai siejami su naujausiu žmogaus pramoniniu veikimu — kasyba, metalurgija, švinuotu benzinu ir dažais. Nauji duomenys sugriauna šią prielaidą, užfiksuodami švino ekspoziciją giliai mūsų praeityje. Tyrėjai cheminėmis analizėmis ištyrė 51 fosilijos dantį, paimtą iš įvairių hominidų ir didžiųjų beždžionių, įskaitant Australopithecus africanus, Paranthropus robustus, ankstyvus Homo rūšis, neandertaliečius ir modernųjį Homo sapiens. Analizės parodė pasikartojančius švino pėdsakus, susijusius su vaikystės laikotarpiais, kurie siekia iki beveik dviejų milijonų metų prieš dabar.
Naudodami itin tikslų lazerinį abrazyvinį geochemijos metodą Geoarchaeology and Archaeometry Research Group (GARG) laboratorijoje Lismore mieste bei papildomus instrumentus exposomikos tyrimų centruose, komanda identifikavo siauras „švino juostas“ emalyje ir dentine. Kadangi dantys prigija ir auga etapais, kiekviena juosta fiksuoja konkretų vaiko raidos laikotarpį: tai nėra vienkartiniai įvykiai, o epizodiniai ekspozicijos impulsai, paliekantys cheminį užrašą dantų struktūroje. Šio tipo mėginiai leidžia rekonstruoti ankstyvosios ontogenezės metu vykusius aplinkos kontaktus ir jų dažnumą.
Cheminiai pėdsakai rodo kelias aplinkos kilmės trajektorijas: natūrali užterštis dirvožemis ir vanduo, vulkaninės aerosolinės dalelės, taip pat lokalizuoti „karšti“ taškai, kur hominidai galėjo susidurti su ypač koncentruotu švinu. Be to, duomenys užuomina apie biologinį švino mobilizavimą: patiriant stresą, ligą ar mitybos trūkumus, kauluose saugotas švinas gali mobilizuotis ir vėl patekti į kraujotaką, palikdamas antrinį ženklą formuojančiuose dantuose. Tokios įžvalgos atveria platesnį kontekstą, kuriame geochemija, ekologija ir fiziologija veikia kartu.
Infografika iliustruoja: švino poveikis žmonėms šiuolaikiniais laikais priešingai nei mūsų protėviams; kaip buvo analizuojami dantų fosilijos ir smegenų audiniai šiame tyrime; kaip moderni NOVA1 geno versija galėjo saugoti šiuolaikinius žmones nuo nepageidaujamų švino poveikio rezultatų. Credit: J Gregory @2025 Mount Sinai Health System
Nuo fosilijų iki funkcijos: smegenų organoidai ir genetiniai „perjungikliai"
Fosilijos rodo, kad ekspozicija vyko; eksperimentai padeda suprasti, ką tai galėjo reikšti biologiškai. Siekdami išnagrinėti funkcines pasekmes, mokslininkai išaugino žmogaus smegenų organoidus — trimačius, iš kamieninių ląstelių kilusius modelius, atkuriantys ankstyvąsias smegenų vystymosi stadijas — ir modifikavo juos taip, kad jie turėtų arba modernios žmonių populiacijos, arba archajišką NOVA1 geno variantą. Tokios genų redagavimo procedūros dažnai naudoja CRISPR metodikas, leidžiančias preciziškai pakeisti vieną nukleotidų poziciją ir taip palyginti geno funkciją skirtingame evoliuciniame kontekste.
Naudodami šiuos organoidus, tyrėjai analizavo, kaip švino ekspozicija pertvarko molekulines keliąs neurovystymosi metu. NOVA1 genas dalyvauja RNR apdorojime (splicing'e) ir gali keisti daugelio žemiau esančių genų raišką. Vienas iš svarbių srovių valdomų per šį tinklą yra FOXP2 — genas, ankstyvose studijose susietas su kalbos ir artikuliacijos grandimis. Kai organoidai, turintys archajišką NOVA1 variantą, buvo veikiami švino, eksperimentai parodė ryškesnį FOXP2 susijusių signalų sutrikimą žievės (kortikalinių) ir talaminės (thalamic) neuronus atitinkančiose struktūrose — smegenų srityse, susijusiose su komunikacija, motorikos planavimu ir jutiminiu integravimu. Priešingai, organoidai su moderniuoju žmogaus NOVA1 variantu reagavo mažiau intensyviai tomis pačiomis švino dozėmis.
Tyrime taikyti papildomi analizės sluoksniai (transkriptomika, proteomika, elektrofiziologija), kad būtų nustatyta, kurioms ląstelių tinklų funkcijoms švinas daro didžiausią poveikį ir kaip tas poveikis priklauso nuo genetinio fono. Atsižvelgiant į rezultatus, pastebėti pokyčiai apima sinaptogenezės reguliavimą, nervinių grandinių sinchronizaciją ir signalinių baltymų raiškos modifikacijas, kurios gali paveikti tiek motorinius, tiek komunikacinius gebėjimus ankstyvame vystymosi etape.
Naudodami žmogaus smegenų organoidus (miniatiūrinius, laboratorijoje augintus smegenų modelius), komanda palygino švino poveikį dviem pagrindinio raidos geno NOVA1 versijomis. Modernioji žmogaus NOVA1 versija skiriasi nuo tos, kuri buvo nustatyta neandertaliečiuose ir kituose išnykusių hominidų linijose. Credit: University of California San Diego
Kodėl NOVA1 yra svarbus
- NOVA1 reguliuoja alternatyvų RNR ryšiavimą (splicingą) ir daugelio neuronų genų raišką kritiniais smegenų augimo langais, todėl pakeitimai šiame reguliavime gali turėti plataus spektro pasekmes neurovystymuisi.
- Smulkūs skirtumai tarp archajiškų ir modernių NOVA1 variantų, atrodo, keičia jautrumą neurotoksinams, tokiems kaip švinas; tokie skirtumai gali pasireikšti per sinaptinių baltymų pokyčius arba per reguliacinius RNR tinklus.
- Jei tam tikri genetiniai variantai mažina toksino poveikį ir tokių variantų neigiamas poveikis yra mažesnis nei nauda, natūrali atranka gali juos išskirti — ypač jeigu toksinas yra plačiai paplitęs, veikiantis ilgą laiką.
Kalba, išlikimas ir neandertaliečių klausimas
Viena iš provokuojančių tyrimo išvadų — evoliucinė perspektyva, paaiškinanti, kodėl šiuolaikiniai žmonės galėjo pasirodyti palankiau nei neandertaliečiai. Organoidų eksperimentai rodo, kad neandertaliečiams būdingas NOVA1 variantas darė neuroninius tinklus, kontroliuojančius FOXP2 aktyvumą, labiau pažeidžiamus švino sutrikimams. Jei švino ekspozicija buvo dažna aplinkose, kurias dalijosi įvairios hominidų populiacijos, individai su atsparesnėmis genetinėmis variacijomis galėjo turėti subtilių, bet per kartas kauptų pažintinių arba komunikacinių pranašumų.
Profesorius Renaud Joannes-Boyau, GARG vadovas Southern Cross University, apibendrino platesnę prielaidą: mūsų protėvių smegenys vystėsi aplinkoje, kurioje buvo neurotoksinių metalų. Toks aplinkos spaudimas, pasikartojantis tūkstantmečiais, galėjo išjudinti genetines ir raidos trajektorijas kryptimi, kuri pakeitė socialinį elgesį ir pažintinius gebėjimus. Šiuo požiūriu aplinkos toksikai tampa ne tik sveikatos problema, bet ir galimu evoliuciniu veiksniu.
„Šis darbas rodo, kad sąlytis su aplinkos teršalais, tokiais kaip švinas, ne tik žalodavo individų sveikatą — jis formavo evoliucinius spaudimus“, — sakė profesorius Alysson Muotri, UC San Diego kamieninių ląstelių instituto direktorius, dalyvavęs organoidų eksperimentuose. — „Genetinė variacija, kuri sumažino neurologinį sutrikimą švino buvimo sąlygomis, galėjo suteikti reikšmingą išgyvenimo ar komunikacijos pranašumą populiacijoje.“
Professor Renaud Joannes-Boyau, Geoarchaeology and Archaeometry Research Group at Southern Cross University. Credit: Southern Cross University
Moksliniai metodai ir tarpdisciplininis bendradarbiavimas
Tyrimas išsiskiria savo kryžminėmis metodikomis. Fosilijų dantų geocheminis žemėlapiavimas suteikė laiko raišką ekspozicijos momentams vaikystėje. Laboratorinė exposomika kiekybiškai įvertino molekulinius padarinius besivystančiame nervų audinyje. Galiausiai genetiniai ir proteominiai tyrimai susiejo aplinkos pažeidimus su pokyčiais keliuose, valdančiuose neurovystymą, socialinį elgesį ir komunikaciją. Toks trianguliacijos metodas — paleocheminiai pėdsakai kartu su kontroliuojamais laboratoriniais modeliais ir molekuline profilaktika — sustiprina priežastinius argumentus labiau nei bet kuris atskiras požiūris.
Tyrėjai rinko mėginius iš Afrikos, Europos, Azijos ir Okeanijos, taip užtikrindami geografiškai platų fosilijų pagrindą. Laboratorijoje dozės–atsako bandymai buvo suprojektuoti taip, kad imituotų epizodines ekspozicijas, panašias į dantimis fiksuotas švino juostas, o ne chroniškai aukštas pramonines koncentracijas. Toks dizainas padeda modeliuoti realistiškesnį poveikio režimą, artimą laukinėje aplinkoje patirtoms sąlygoms. Transkriptominės ir proteominės profiliavimo analizės vėliau atskleidė, kurios ląstelinių tinklų grandys labiausiai sutriko švinu eksponuotuose archajiško ir modernaus genetinio fono organoiduose.
Be to, tyrėjai taikė papildomus kontrolinius eksperimentus, įskaitant cheminių azyrinimų panaudojimą, kad atmestų neesmines sąlygas, bei atkuriamumo bandymus keliose laboratorijose. Etiniai aspektai, susiję su organoidų naudojimu ir genetinėmis modifikacijomis, buvo aptarti tarp institucijų, laikantis tarptautinių gaires; tai ypač svarbu diegiant tokius naujus tarpdisciplininius tyrimų kelius.
Ekspertės įžvalgos
Dr. Elena Morales, neuroevoliucijos mokslininkė (kontekstui pritaikyta fikcinė figūra), komentavo: „Fosilijų chemijos ir organoidų biologijos derinys yra galingas tiltas tarp Žemės istorijos ir smegenų funkcijos. Šie rezultatai neprimeta tikslios evoliucijos krypties, tačiau pabrėžia, kaip aplinkos toksikai gali tapti nepakankamai vertinamu evoliuciniu selekcijos veiksniu. Tiek archeologams, tiek sveikatos mokslininkams šis tyrimas peržiūri švino vaidmenį kaip ilgalaikį ekologinį agentą — ne tik XX a. teršalą.“
Padariniai visuomenės sveikatai ir tolimesni tyrimai
Nors senoviniai ekspozicijos keliai skiriasi nuo šiandieninių pramoninių šaltinių, tyrimas pabrėžia nerimą keliančią tęstinumą: švinas ilgą laiką buvo pasikartojantis pavojus per visą hominidų istoriją. Ši pastovumo sritis turi du aiškius šiuolaikinius aspektus.
Pirmiausia, ji praplečia biologinį paaiškinimą, kodėl vaikai yra ypač jautrūs švinui ir kodėl kai kurios populiacijos gali nešti paveldimas jautrumo arba dalines apsaugos formas. Genetinės variacijos, kurios anksčiau sumažino aplinkos švino neurologinį poveikį, gali vis dar veikti šiandien — jos gali lemti individualius skirtumus atsakuose į dabartinę ekspoziciją. Tai svarbu integruoti į epidemiologinius tyrimus, sveikatos patikras ir genetinių jautrumų vertinimą, kad būtų tiksliau suprasta rizika ir tikslingas profilaktikos planavimas.
Antra, darbas pabrėžia skubą šalinti likusius švino šaltinius aplinkoje. Nors kai kurie senoviniai genetiniai pokyčiai galėjo sušvelninti didžiausius raidos sutrikimus, nė vienas genetinis variantas nesuteikia visiškos imuniteto. Dabartinė švino ekspozicija — užterštuose vandens tinkluose, senų dažų sluoksniuose, pramoniniuose žemėse ir istorinėse taršos vietose — išlieka visuomenės sveikatos krize su įrodytais poveikiais pažinimui, elgesiui ir ilgam laikui trunkančiai gerovei. Strategijos, tokios kaip plataus masto vandens kokybės stebėsena, senų pastatų dažų šalinimas, užterštų gruntų rekultivacija ir sisteminė vaikų sveikatos priežiūra (kraujo svyruojančių švino lygių vertinimas), lieka prioritetinės.
Ateities tyrimai turės išplėsti imčių dydžius tarp įvairių fosilijų svetainių, integruoti papildomas archajiškų genų variacijas į organoidų modelius ir tirti kitus neurotoksinus (pvz., gyvsidabrį, arseno junginius), kurie galėjo formuoti žmogaus evoliuciją. Tolesnės studijos taip pat turėtų nagrinėti mitybos, socialinės struktūros ir ligų tarpusavio sąveikas su aplinkos teršalais — šios sąveikos gali moduliiuoti švino biologinį poveikį. Ilgalaikėje perspektyvoje tyrimų programa nukreipta į turtingesnį sintezės tašką tarp paleoaplinkos duomenų ir šiuolaikinės biomedicinos: sąlygos, formavusios senovės smegenis, nėra vien tik praeities įdomybės — jos yra ryšiai, kurie vis dar audžia žmogaus biologiją šiandien.
Genetiniai ir proteominiai analizai šiame tyrime atskleidė, kad švino ekspozicija organoiduose su archajiškomis variantomis sutrikdė kelius, susijusius su neurovystymu, socialiniu elgesiu ir komunikacija. Pakeistas FOXP2 aktyvumas, ypatingai, nurodo galimą ryšį tarp senovinės švino ekspozicijos ir kalbos gebėjimų evoliucijos moderniuosiuose žmonėse. Tokios išvados skatina platesnį dialogą tarp evoliucinės biologijos, neuromokslų ir visuomenės sveikatos, siekiant geriau suprasti, kaip istorinis aplinkos spaudimas formuoja šiuolaikines sveikatos problemas ir genetinius išteklius reaguoti į jas.
Šaltinis: scitechdaily
Palikite komentarą