Эволюция питания для растущего мозга: от шимпанзе до сапиенсов

Какие продукты питания способствовали развитию крупного человеческого мозга? Авторы статьи в Science смоделировали, как менялся рацион гоминин на протяжении их эволюции, и пришли к выводу, что ключевую роль играли легкоусвояемые углеводы — например, сахара в составе мёда и фруктов. 

В настоящее время рацион гомининов принято рассматривать как растущее потребление продуктов животного происхождения: мяса, белка, жира и омега-3 жирных кислот. Однако оно подразумевает также освоение огня, маловероятное для ранних гомининов. Поэтому исследователи реконструировали их рацион с момента, когда животная и приготовленная пища еще не стали его ключевыми характеристиками. 

Гоминины существуют около 4 млн лет, за это время средняя масса мозга увеличилась с 300 г у Australopithecus afarensis до 1500 г у Homo sapiens. А большой мозг требует большого количества глюкозы — потребность в ней у современного человека составляет 5–6 мг/мин на 100 г ткани мозга. Для здоровых взрослых это составляет 100–120 г/день, 20% от базального метаболизма (БМР) для органа массой менее 2% от всего тела. У детей относительная потребность мозга в глюкозе экспоненциально выше: например, в пять лет это около 66% от базального метаболизма, или 150–200 грамм глюкозы в день. Еще больше требуется для репродукции — плацента, плод и молочные железы во время лактации имеют потребность в глюкозе даже выше, чем у мозга. Суммарно для беременной или кормящей женщины она составляет около 230 г/день по сравнению со 160 г/день вне этого периода.

Конечно, не вся глюкоза должна поступать непосредственно из пищи, поскольку организм может синтезировать ее другими путями. В первую очередь расходуются запасы гликогена в печени, которые истощаются за ночь. Печень и почки затем синтезируют глюкозу путем глюконеогенеза из аминокислот, лактата и глицерина, однако эта способность ограничена. В мужском организме синтезируется около 145 г глюкозы в сутки при обычном питании (12% белка) или около 170 на высокобелковой диете (30% белка). Если бы глюконеогенез был единственным источником глюкозы, то ее дефицит относительно потребностей составлял бы около 40 г (и 105 г для беременной или кормящей женщины). 

Ученые смоделировали, как менялась потребность в глюкозе, потребление пищи и доступность углеводов, на протяжении шести этапов эволюции: шимпанзе, афарский австралопитек, человек умелый (H. habilis), ранние и поздние H. erectus и, наконец, H. sapiens. Они интегрировали и другие данные, такие как изотопный состав ископаемых останков, морфология зубов, генетические и физиологические особенности.

Известно, что рацион шимпанзе — первого из этапов — на 95% состоит из растительной пищи и на 5% из животной. Согласно модели, рацион австралопитека был аналогичным. Авторы уточняют, что размер мозга также был сопоставимым — 240 г у шимпанзе и 380 у австралопитека. 

У H. habilis, наиболее раннего представителя нашего рода, мозг был несколько крупнее (500 г). Наличие каменных орудий на стоянках, морфология кистей рук и характерные следы ударов и разрезов на костях животных указывают на употребление в пищу мяса, более активное, чем у шимпанзе. Исследователи говорят о 10% всей потребляемой энергии. Около 27% поступало из жиров, в том числе из костного мозга добытых животных, и около 30% — из сахаров. 

Следующие две ступени эволюции отражают поэтапное увеличение мозга с 800 до 1200 г, происходившее у H. erectus. Менялись также условия обитания — по мере дальнейшего похолодания планеты периоды нехватки фруктов становились продолжительнее. Доля энергии, полученной из животной пищи, возросла до 30%, также увеличилось потребление животных жиров. Потребление сахаров оставалось стабильным (примерно от 150 до 200 г), обеспечивая более 25% от общего количества энергии. 

Наконец, для оценки рациона H. sapiens, а также денисовцев и неандертальцев, авторы проанализировали два соотношения, характерные для питания охотников-собирателей в теплом климате: 35% животной пищи и 60% растительной либо поровну той и другой. Меньшая доля животной пищи обеспечила бы 19% энергии в виде белка и 26% в виде сахаров, что выше, чем во многих промышленно развитых странах сегодня. А второй вариант предполагает, что 27% энергии поступало с белком, а 18% — за счет сахаров. 

Авторы предполагают, что увеличение количества белка и жира животного происхождения обеспечивало энергию для тканей, не зависящих от глюкозы. Это сохраняло для увеличивающегося мозга сахара и крахмал, то есть доступные углеводы. По оценке исследователей, содержание доступных для мозга углеводов в рационе менялось от 400 г/день у шимпанзе до 230 г/день у людей современного типа.

Результаты исследования согласуются с гипотезой о том, эволюция предков человека и формирование крупного мозга обусловлены фруктоядностью. До того, как приготовление пищи сделало крахмал легкоусвояемым, сахара во фруктах и мёде были источником глюкозы — оптимального топлива для мозга, но и на более поздних этапах они обеспечивали более 25% энергии. Авторы заключают, что эволюция большего мозга — это история углеводной пищи в той же мере, что и животной: от сладких сахаров до вареного крахмала, от жевания до обработки, и от простого измельчения до более продвинутых способов извлечь из пищи ценные нутриенты.