Höhenanpassung beim Menschen - High-altitude adaptation in humans

Die Höhenanpassung beim Menschen ist ein Beispiel für evolutionäre Veränderungen in bestimmten menschlichen Populationen, einschließlich derjenigen von Tibet in Asien, den Anden Amerikas und Äthiopien in Afrika, die die Fähigkeit erworben haben, in Höhen über 2.500 Metern zu überleben . Diese Anpassung bedeutet irreversible, langfristige physiologische Reaktionen auf Umgebungen in großer Höhe, die mit erblichen Verhaltens- und genetischen Veränderungen verbunden sind . Während der Rest der menschlichen Bevölkerung ernsthafte gesundheitliche Folgen haben würde, gedeihen die Ureinwohner dieser Regionen in den höchsten Teilen der Welt gut. Diese Menschen haben umfangreiche physiologische und genetische Veränderungen, vor allem in den Regulierungssystemen von Sauerstoff Atmung und Blutkreislauf , wenn die allgemeinen Tiefland Bevölkerung verglichen.

Rund 81,6 Millionen Menschen, etwa 1,1% der Weltbevölkerung, leben dauerhaft in Höhen über 2.500 Metern (8.200 ft), was diese Bevölkerungsgruppen einem Risiko für die chronische Bergkrankheit (CMS) aussetzt . Die Hochgebirgspopulationen in Südamerika, Ostafrika und Südasien tun dies jedoch seit Jahrtausenden ohne offensichtliche Komplikationen. Diese spezielle Anpassung gilt heute als ein Beispiel für die natürliche Auslese in Aktion. Die Anpassung der Tibeter ist das schnellste bekannte Beispiel für die menschliche Evolution , da sie Schätzungen zufolge zwischen 1.000 v. Chr. und 7.000 v. Chr. stattgefunden hat

Herkunft und Basis

Himalaya, am südlichen Rand des tibetischen Plateaus

Der Mensch ist von Natur aus an eine Tieflandumgebung angepasst, in der Sauerstoff reichlich vorhanden ist. Wenn Menschen aus dem allgemeinen Tiefland in Höhen über 2.500 Meter (8.200 ft) gehen, erleben sie Höhenkrankheit , eine Art Hypoxie , ein klinisches Syndrom von schwerem Sauerstoffmangel. Manche Menschen erkranken sogar über 1.500 Metern (5.000 ft). Zu den Komplikationen zählen Müdigkeit , Schwindel , Atemnot , Kopfschmerzen , Schlaflosigkeit , Unwohlsein , Übelkeit , Erbrechen , Körperschmerzen , Appetitlosigkeit , Ohrensausen , Blasenbildung und Purpur an Händen und Füßen sowie erweiterte Venen .

Die Krankheit wird durch verwandte Symptome wie Hirnödem (Schwellung des Gehirns) und Lungenödem (Flüssigkeitsansammlung in der Lunge) verstärkt . Sie atmen mehrere Tage lang übermäßig und verbrennen zusätzliche Energie, auch wenn der Körper entspannt ist . Die Herzfrequenz nimmt dann allmählich ab. Hypoxie ist tatsächlich eine der Haupttodesursachen bei Bergsteigern. Bei Frauen kann eine Schwangerschaft stark betroffen sein, wie zum Beispiel der Entwicklung von Bluthochdruck , genannt Präeklampsie , die bewirkt , dass vorzeitige Wehen , niedriges Geburtsgewicht von Babys, und oft kompliziert mit starken Blutungen , Krämpfen und Tod der Mutter .

Schätzungsweise 81,6 Millionen Menschen weltweit leben schätzungsweise auf einer Höhe von mehr als 2.500 Metern über dem Meeresspiegel, davon 21,7 Millionen in Äthiopien , 12,5 Millionen in China , 11,7 Millionen in Kolumbien , 7,8 Millionen in Peru und 6,2 Millionen in Bolivien . Bestimmte Ureinwohner Tibets, Äthiopiens und der Anden leben seit Generationen in diesen Höhenlagen und sind aufgrund genetischer Anpassung vor Hypoxie geschützt. Es wird geschätzt, dass jede Lunge voll Luft in 4.000 Metern Höhe nur 60% der Sauerstoffmoleküle enthält, die Menschen auf Meereshöhe haben. Highlander sind daher ständig einer sauerstoffarmen Umgebung ausgesetzt, leben jedoch ohne schwächende Probleme. Eine der am besten dokumentierten Auswirkungen der Höhenlage ist eine fortschreitende Verringerung des Geburtsgewichts . Es ist bekannt, dass Frauen der seit langem lebenden Hochgebirgsbevölkerung nicht betroffen sind. Von diesen Frauen ist bekannt, dass sie schwerere Kinder zur Welt bringen als Frauen von Flachlandbewohnern. Dies gilt insbesondere für tibetische Babys, deren durchschnittliches Geburtsgewicht 294–650 (~470) g schwerer ist als die der umliegenden chinesischen Bevölkerung ; und ihr Blutsauerstoffspiegel ist erheblich höher.

Die ersten wissenschaftlichen Untersuchungen zur Höhenanpassung wurden Ende der 1960er Jahre von A. Roberto Frisancho von der University of Michigan bei den Quechua in Peru durchgeführt. Paul T. Baker , Penn State University , (in der Abteilung für Anthropologie ) auch eine beträchtliche Menge an Forschung in die menschliche Anpassung an großen Höhen durchgeführt und betreut Studenten , die diese Forschung fortgesetzt. Eine dieser Studenten, die Anthropologin Cynthia Beall von der Case Western Reserve University , begann in den frühen 1980er Jahren mit der Forschung zur Höhenanpassung der Tibeter und tut dies bis heute.

Physiologische Grundlagen

Tibeter

Eine Sherpa-Familie

Wissenschaftler begannen, die außergewöhnliche körperliche Leistungsfähigkeit der Tibeter seit Beginn der Kletterzeit im Himalaya im frühen 20. Jahrhundert zu bemerken. Die Hypothese einer möglichen evolutionären genetischen Anpassung ist sinnvoll. Das tibetische Plateau hat eine durchschnittliche Höhe von 4.000 Metern über dem Meeresspiegel und ist mit mehr als 2,5 Millionen km 2 das höchste und größte Plateau der Welt. Im Jahr 1990 wurde geschätzt, dass 4.594.188 Tibeter auf dem Plateau leben, davon 53% in einer Höhe von über 3.500 Metern (11.500 ft). Ziemlich viele (etwa 600.000) leben in einer Höhe von über 4.500 Metern (14.800 ft) im Gebiet von Chantong-Qingnan. Wo die tibetischen Hochländer leben, beträgt der Sauerstoffgehalt nur etwa 60 % des Meeresspiegels. Die Tibeter, die seit 3.000 Jahren in dieser Region leben, weisen nicht die erhöhten Hämoglobinkonzentrationen auf, um mit Sauerstoffmangel fertig zu werden, wie sie bei anderen Bevölkerungsgruppen beobachtet werden, die vorübergehend oder dauerhaft in große Höhen umgezogen sind. Stattdessen atmen die Tibeter mit jedem Atemzug mehr Luft ein und atmen schneller als die Bevölkerung auf Meereshöhe oder die Anden. Tibeter haben eine bessere Sauerstoffversorgung bei der Geburt, Lungenvolumen vergrößert das ganze Leben hindurch, und eine höhere Kapazität für Bewegung . Sie zeigen eine anhaltende Zunahme des zerebralen Blutflusses, eine niedrigere Hämoglobinkonzentration und eine geringere Anfälligkeit für chronische Bergkrankheit als andere Populationen aufgrund ihrer längeren Vorgeschichte in Höhenlagen.

Individuen können mit sorgfältiger körperlicher Vorbereitung und systematischer Überwachung der Bewegungen eine kurzfristige Toleranz entwickeln, aber die biologischen Veränderungen sind eher vorübergehend und reversibel, wenn sie ins Flachland zurückkehren. Darüber hinaus behalten Tibeter im Gegensatz zu Tieflandbewohnern, die nach dem Eintritt in große Höhen nur für einige Tage eine verstärkte Atmung erfahren , diese schnelle Atmung und die erhöhte Lungenkapazität ihr ganzes Leben lang. Dadurch können sie pro Zeiteinheit größere Luftmengen einatmen, um einen niedrigen Sauerstoffgehalt auszugleichen. Darüber hinaus haben sie im Vergleich zu Tieflandbewohnern hohe (meist doppelte) Stickoxidwerte in ihrem Blut, was wahrscheinlich dazu beiträgt, dass sich ihre Blutgefäße erweitern, um die Durchblutung zu verbessern . Außerdem unterscheidet sich ihr Hämoglobinspiegel (durchschnittlich 15,6 g/dl bei Männern und 14,2 g/dl bei Frauen) nicht wesentlich von denen von Menschen, die in niedriger Höhe leben. (Normalerweise erleben Bergsteiger einen Anstieg des Hb-Wertes um >2 g/dl im Basislager des Mt. Everest in zwei Wochen.) Auf diese Weise sind sie in der Lage, den Auswirkungen von Hypoxie und Bergkrankheit lebenslang zu entgehen. Selbst wenn sie die höchsten Gipfel wie den Mt. Everest bestiegen, zeigten sie eine regelmäßige Sauerstoffaufnahme, eine stärkere Belüftung, eine lebhaftere hypoxische Atemreaktion, ein größeres Lungenvolumen, eine größere Diffusionskapazität, ein konstantes Körpergewicht und eine bessere Schlafqualität im Vergleich zu Menschen aus den Flachland.

Anden

Im Gegensatz zu den Tibetern zeigen die Hochlandbewohner der Anden, die seit nicht mehr als 11.000 Jahren in großen Höhen leben, ein anderes Muster der Hämoglobinanpassung. Ihre Hämoglobinkonzentration ist höher als bei Tieflandbewohnern, was auch bei Tieflandbewohnern passiert, die in große Höhen ziehen. Wenn sie einige Wochen im Flachland verbringen, sinkt ihr Hämoglobin auf den Durchschnitt anderer Menschen. Dies zeigt nur eine vorübergehende und reversible Akklimatisierung. Im Gegensatz zu Tieflandbewohnern haben sie jedoch einen erhöhten Sauerstoffgehalt in ihrem Hämoglobin, dh mehr Sauerstoff pro Blutvolumen als andere Menschen. Dies verleiht jedem roten Blutkörperchen die Fähigkeit, mehr Sauerstoff zu transportieren, was einen effektiveren Sauerstofftransport in ihrem Körper ermöglicht, während ihre Atmung im Wesentlichen mit der gleichen Geschwindigkeit erfolgt. Dadurch können sie die Hypoxie überwinden und sich normalerweise ohne Todesgefahr für Mutter oder Baby fortpflanzen. Von den Missionaren des 16. Jahrhunderts ist den Andenhochländern bekannt, dass ihre Fortpflanzung immer normal war, ohne Auswirkungen auf die Geburt oder das Risiko eines frühen Schwangerschaftsverlustes, die bei hypoxischem Stress üblich sind. Sie haben entwicklungsbedingt ein vergrößertes Restlungenvolumen und die damit verbundene Zunahme des Alveolarbereichs erworben , die durch eine erhöhte Gewebedicke und eine mäßige Zunahme der roten Blutkörperchen ergänzt werden . Obwohl das physische Wachstum der Körpergröße verzögert wird , wird das Wachstum des Lungenvolumens beschleunigt. Eine unvollständige Anpassung, wie ein erhöhter Hämoglobinspiegel, lässt sie auch im Alter noch an der Bergkrankheit leiden.

Quechua-Frau mit Lamas

Unter den Quechua im Altiplano gibt es eine signifikante Variation in NOS3 (dem Gen, das die endotheliale Stickoxid-Synthase eNOS kodiert ), das mit höheren Stickoxidwerten in großer Höhe verbunden ist. Nuñoa-Kinder mit Quechua-Abstammung weisen einen höheren Blutsauerstoffgehalt (91,3) und eine niedrigere Herzfrequenz (84,8) auf als ihre Schulkinder anderer ethnischer Herkunft, die durchschnittlich 89,9 Blutsauerstoff und 88–91 Herzfrequenz haben. In großer Höhe geborene und gezüchtete Weibchen mit Quechua-Ursprung haben ein vergleichsweise vergrößertes Lungenvolumen für eine erhöhte Atmung.

Aymara-Zeremonie

Blutprofil Vergleiche zeigen , dass unter den Andeans, Aymara highlanders sind besser angepasst Hochland als die Quechuas. Bei den bolivianischen Aymara waren die Ruheventilation und die hypoxische Atemreaktion relativ gering (ungefähr 1,5-mal niedriger), im Gegensatz zu denen der Tibeter. Die genetische Variation innerhalb der Population war bei den Aymara relativ gering. Darüber hinaus ist der Hämoglobinspiegel im Blut bei Aymarern in großen Höhen im Vergleich zu Tibetern deutlich höher, mit durchschnittlich 19,2 g/dl für Männer und 17,8 g/dl für Frauen. Unter den verschiedenen einheimischen Hochlandbewohnern sind die zugrunde liegenden physiologischen Reaktionen auf die Anpassung recht unterschiedlich. Unter vier quantitativen Merkmalen, wie zum Beispiel Ruheventilation, hypoxische Atemreaktion, Sauerstoffsättigung und Hämoglobinkonzentration, unterscheiden sich die Schwankungen zwischen den Tibetern und den Aymaras erheblich. Die Methylierung beeinflusst auch die Oxygenierung.

Äthiopier

Auch die Völker des äthiopischen Hochlandes leben in extremen Höhen, etwa 3.000 bis 3.500 Meter. Hochlandäthiopier weisen erhöhte Hämoglobinwerte auf, wie Anden und Tieflandvölker in großen Höhen, weisen jedoch nicht den Anstieg des Sauerstoffgehalts des Hämoglobins in den Anden auf. Bei gesunden Personen liegen die durchschnittlichen Hämoglobinkonzentrationen bei Männern bzw , wie die Anden). Darüber hinaus zeigen äthiopische Hochländer keine signifikanten Veränderungen in der Durchblutung des Gehirns, die bei den peruanischen Hochländern beobachtet wurden (und auf ihre häufigen höhenbedingten Krankheiten zurückgeführt werden). Doch ähnlich wie die Anden und Tibeter sind die äthiopischen Hochländer immun gegen die extremen Gefahren, die von der Höhenlage ausgehen, und ihr Anpassungsmuster ist definitiv einzigartig von dem anderer Hochlandvölker.

Genetische Basis

Die zugrunde liegende molekulare Evolution der Höhenanpassung wurde erst vor kurzem erforscht und verstanden. Abhängig von den geografischen und umweltbedingten Belastungen beinhaltet die Höhenanpassung unterschiedliche genetische Muster, von denen sich einige erst vor kurzem entwickelt haben. Zum Beispiel wurden tibetische Anpassungen in den letzten 3000 Jahren weit verbreitet, ein schnelles Beispiel für die jüngste menschliche Evolution . An der Wende zum 21. Jahrhundert wurde berichtet, dass sich die genetische Ausstattung der respiratorischen Komponenten der tibetischen und der äthiopischen Bevölkerung deutlich unterscheidet.

Tibeter

Erhebliche Beweise bei tibetischen Hochlandbewohnern deuten darauf hin, dass Variationen des Hämoglobin- und Blutsauerstoffspiegels an die darwinistische Fitness angepasst sind . Es wurde dokumentiert, dass tibetische Frauen mit einer hohen Wahrscheinlichkeit, ein bis zwei Allele für hohen Blutsauerstoffgehalt zu besitzen (was für normale Frauen seltsam ist), mehr überlebende Kinder hatten; je höher die Sauerstoffkapazität, desto geringer die Säuglingssterblichkeit. Im Jahr 2010 wurden nach Genomsequenzierungen von 50 Tibetern und 40 Han-Chinesen aus Peking erstmals die Gene identifiziert, die für die einzigartigen adaptiven Merkmale verantwortlich sind . Anfänglich war das stärkste nachgewiesene Signal der natürlichen Selektion ein Transkriptionsfaktor, der an der Reaktion auf Hypoxie beteiligt ist, genannt endotheliales Per-Arnt-Sim (PAS) -Domänenprotein 1 ( EPAS1 ). Es wurde festgestellt, dass ein Einzelnukleotid-Polymorphismus (SNP) bei EPAS1 einen Frequenzunterschied von 78% zwischen tibetischen und chinesischen Proben zeigt, was die schnellste genetische Veränderung darstellt, die bisher in einem menschlichen Gen beobachtet wurde. Daher wird die tibetische Anpassung an die große Höhe zum schnellsten Prozess der phänotypisch beobachtbaren Evolution beim Menschen, der schätzungsweise vor einigen tausend Jahren stattgefunden hat, als sich die Tibeter von der chinesischen Bevölkerung auf dem Festland trennten. Die Zeit der genetischen Divergenz wurde unterschiedlich auf 2.750 (ursprüngliche Schätzung), 4.725, 8.000 oder 9.000 Jahre geschätzt. Mutationen in EPAS1 , die bei Tibetern häufiger vorkommen als bei ihren Han-Nachbarn, korrelieren mit verringerten Hämoglobinkonzentrationen bei den Tibetern, was das Kennzeichen ihrer Anpassung an Hypoxie ist. Gleichzeitig wurden auch zwei Gene, zB neun Homolog 1 ( EGLN1 ) (das die Hämoglobinproduktion bei hoher Sauerstoffkonzentration hemmt) und der Peroxisom-Proliferator-aktivierte Rezeptor alpha ( PPARA ), als positiv selektiert in Bezug auf die verminderte Hämoglobinnatur bei den Tibetern identifiziert.

In ähnlicher Weise weisen die Sherpas , die für ihre Himalaya-Widerstandsfähigkeit bekannt sind, ähnliche Muster im EPAS1- Gen auf, was weiter bestätigt, dass das Gen zur Anpassung an das Leben der Tibeter in großer Höhe selektiert wird . Eine Studie aus dem Jahr 2014 weist darauf hin, dass das mutierte EPAS1- Gen von archaischen Homininen , den Denisovans, geerbt worden sein könnte . EPAS1 und EGLN1 sind definitiv die wichtigsten Gene für einzigartige adaptive Merkmale im Vergleich zu denen der Chinesen und Japaner. Eine vergleichende Genomanalyse im Jahr 2014 ergab, dass die Tibeter eine gleiche Mischung von Genomen von den nepalesischen Sherpas und Hans geerbt haben und die adaptiven Gene von der Sherpa-Linie erworben haben. Darüber hinaus wurde die Bevölkerungsspaltung auf etwa 20.000 bis 40.000 Jahre geschätzt, von denen eine Reihe archäologischer, mitochondrischer DNA und Y-Chromosom-Beweise für eine anfängliche Besiedlung des tibetischen Plateaus vor etwa 30.000 Jahren stützen.

Die Gene ( EPAS1 , EGLN1 und PPARA ) funktionieren zusammen mit einem anderen Gen namens Hypoxie-induzierbare Faktoren ( HIF ), das wiederum ein Hauptregulator der Produktion roter Blutkörperchen ( Erythropoese ) als Reaktion auf den Sauerstoffstoffwechsel ist. Die Gene sind nicht nur mit einem verringerten Hämoglobinspiegel verbunden, sondern auch mit der Regulierung des Energiestoffwechsels. EPAS1 ist signifikant mit einer erhöhten Laktatkonzentration (das Produkt der anaeroben Glykolyse ) verbunden und PPARA korreliert mit einer Abnahme der Aktivität der Fettsäureoxidation . EGLN1 kodiert für ein Enzym, Prolylhydroxylase 2 (PHD2), das an der Erythropoese beteiligt ist. Bei den Tibetern führt die Mutation in EGLN1 (speziell an Position 12, wo Cytosin durch Guanin ersetzt wird; und bei 380, wo G durch C ersetzt wird) zu mutiertem PHD2 (Asparaginsäure an Position 4 wird zu Glutamin und Cystein an 127 wird zu Serin ) und diese Mutation hemmt die Erythropoese. Es wird geschätzt, dass die Mutation vor etwa 8.000 Jahren aufgetreten ist. Ferner sind die Tibeter für Gene im Krankheits Klasse der menschlichen Fortpflanzung angereichert (wie Gene aus dem DAZ , BPY2 , CDY und HLA-DQ und HLA-DR -Gencluster) und biologischen Verfahrenskategorien der Reaktion auf DNA - Schädigung Stimulus und DNA Reparatur (wie RAD51 , RAD52 und MRE11A ), die an die adaptiven Eigenschaften von hohem Kindergeburtsgewicht und bezogen sind dunkler Hautton und sind höchstwahrscheinlich aufgrund der jüngsten lokaler Anpassung.

Anden

Die genetischen Anpassungsmuster der Anden unterscheiden sich weitgehend von denen der Tibeter, wobei beide Populationen positive natürliche Selektion in verschiedenen Genen oder Genregionen aufweisen. Allerdings EGLN1 erscheint die Haupt Unterschrift der Evolution zu sein, da es Beweise für eine positive Selektion zeigt beide in Tibetern und Andeans. Selbst dann unterscheidet sich das Variationsmuster für dieses Gen zwischen den beiden Populationen. In den Anden gibt es keine signifikanten Assoziationen zwischen EPAS1- oder EGLN1- SNP- Genotypen und der Hämoglobinkonzentration, die für die Tibeter charakteristisch war. Die gesamten Genomsequenzen von 20 Anden (die Hälfte davon mit chronischer Höhenkrankheit) zeigten, dass zwei Gene, SENP1 (ein Erythropoese-Regulator) und ANP32D (ein Onkogen) eine entscheidende Rolle bei ihrer schwachen Anpassung an Hypoxie spielen.

Äthiopier

Der Anpassungsmechanismus der äthiopischen Hochländer ist ganz anders. Dies liegt wahrscheinlich daran, dass ihre Wanderung ins Hochland relativ früh erfolgte; Zum Beispiel bewohnen die Amhara seit mindestens 5.000 Jahren Höhen über 2.500 Meter (8.200 ft) und seit mehr als 70.000 Jahren Höhen zwischen 2.000 Meter (6.600 ft) und 2.400 Meter (7.900 ft). Die genomische Analyse zweier ethnischer Gruppen, Amhara und Oromo , ergab, dass Genvariationen, die mit Hämoglobinunterschieden zwischen Tibetern oder anderen Varianten an derselben Genposition verbunden sind, die Anpassung bei Äthiopiern nicht beeinflussen. Die Identifizierung spezifischer Gene zeigt ferner, dass mehrere Kandidatengene in Äthiopien beteiligt sind, einschließlich CBARA1 , VAV3 , ARNT2 und THRB . Von zwei dieser Gene ( THRB und ARNT2 ) ist bekannt, dass sie eine Rolle beim HIF-1-Weg spielen , einem Weg, der in früheren Arbeiten in tibetischen und andinen Studien erwähnt wurde. Dies unterstützt das Konzept, dass die Anpassung an die große Höhe als Ergebnis konvergenter Evolution bei verschiedenen Hochlandbewohnern unabhängig voneinander entstanden ist .

Siehe auch

Verweise

Externe Links