Information

Wie überleben Tibeter in großen Höhen? - Biologie

Wie überleben Tibeter in großen Höhen? - Biologie


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Wenn Sie im Flachland leben, haben Sie vielleicht das Schnaufen und Schnaufen erlebt, das normalerweise eine Reise in höhere Lagen begleitet. Das liegt daran, dass der Sauerstoffgehalt sinkt, wenn man steigt. Wenn Sie vom Meeresspiegel nach Denver reisen, bedeutet dies eine Verringerung des verfügbaren Sauerstoffs um 17 %. Selbst diese kleine Veränderung kompensiert unser Körper durch schnellere Atmung und eine höhere Herzfrequenz – zumindest bis wir uns an die dünnere Atmosphäre gewöhnen.

Was passiert, wenn Sie in die Berge reisen?

Wenn Sie die Höhe erhöhen, wird der PO2 in der Luft sinkt, was den Druck im arteriellen Blut beeinflusst (PAO2). Das Gehirn erkennt diese Veränderungen und sendet eine Nachricht, um die Atemfrequenz zu erhöhen, ein Zustand, der als Hyperventilation bezeichnet wird. Sie werden wahrscheinlich tiefer atmen, zusätzlich zu einer schnelleren Atmung, und Ihre Herzfrequenz wird sich erhöhen. Sie können Schwindel, Übelkeit, Müdigkeit und Kopfschmerzen verspüren.

Niedriger arterieller PO2 führt zur Freisetzung von Erythropoietin aus den Nieren. EPO stimuliert das Knochenmark, mehr rote Blutkörperchen zu produzieren, um die Hämoglobinkonzentration im Blut zu erhöhen. Dieses Hämoglobin hat die Wirkung, das Gewebe mit mehr Sauerstoff zu versorgen.

Zusätzliches Hämoglobin kann einen verringerten Sauerstoffgehalt ausgleichen, sodass sich Atmung und Herzfrequenz wieder normalisieren können. Dies ist ein Beispiel für phänotypische Plastizität, Veränderungen im Körper, in der Physiologie oder im Verhalten eines Organismus, die von der Umgebung abhängen, in der er sich befindet, es handelt sich nicht um eine genetische Veränderung. Menschen können sich in der Regel innerhalb weniger Wochen an höhere Höhen akklimatisieren.

1. Was bedeutet das Wort „kompensieren“? Wie gleicht Ihr Kreislaufsystem einen niedrigen Sauerstoffgehalt aus?

2. Was ist Hyperventilation? Was sind Nebenwirkungen der Hyperventilation?

3. Welche Rolle spielen Ihre Nieren beim Ausgleich von Sauerstoffmangel?

4. Lesen Sie das Beispiel der Phänotypplastizität und geben Sie ein weiteres Beispiel für dieses Phänomen. Denk darüber nach!

5. Die folgende Tabelle vergleicht den Hämatokrit von Blutproben, die einer Person auf Meereshöhe und einer in großer Höhe entnommen wurden. Identifizieren Sie den in großer Höhe und erklären Sie Ihre Wahl.

Manche Menschen haben sich nicht nur akklimatisiert, sie haben sich weiterentwickelt

Tibetische Hochländer haben keine Probleme, mit 13.000 zu leben, und viele von ihnen können ohne zusätzlichen Sauerstoff Teile des Mount Everest besteigen. Wie machen Sie das? Neue Forschungen machen deutlich, dass sich die tibetischen Hochländer nicht nur an ihre Bergheimat gewöhnt haben; Sie haben einzigartige physiologische Mechanismen entwickelt, um mit niedrigem Sauerstoffgehalt umzugehen.

Die evolutionären Anpassungen, die es Tibetern ermöglichen, in großen Höhen zu funktionieren, unterscheiden sich stark von dem Akklimatisierungsprozess, den die meisten von uns durchlaufen, wenn wir Zeit an diesen Orten verbringen.

Eine dieser Anpassungen ist fast genau das Gegenteil der Reaktion eines Tiefländers auf große Höhen: Tibeter haben Genversionen, die sie dazu bringen, zu produzieren weniger rote Blutkörperchen. Wie ist das hilfreich? Es stellt sich heraus, dass zusätzliche rote Blutkörperchen das Blut dicker machen – eher wie Honig als Wasser – und ab einem bestimmten Punkt kann dieses zellbeladene Blut tatsächlich so dick, dass es die Kapillaren nicht effizient durchdringt, um die Zellen mit Sauerstoff zu versorgen. Blut mit zu vielen roten Blutkörperchen zu haben, kann während der Schwangerschaft besonders problematisch sein, da es mit einem langsamen fetalen Wachstum und einer hohen fetalen Mortalität verbunden ist.

Die Grundlage für die Anpassung der Tibeter ist keine Veränderung eines Gens, das Hämoglobin oder eines der anderen Proteine ​​​​produziert, aus denen rote Blutkörperchen bestehen. Stattdessen scheint die Schlüsselveränderung in einem DNA-Abschnitt zu liegen, genannt EPAS1, das hilft, den Prozess der Produktion von roten Blutkörperchen zu kontrollieren. Die Veränderung in EPAS1 scheint die Wahrscheinlichkeit einer Überproduktion roter Blutkörperchen bei Tibetern in extremen Höhen zu verringern.

Biologen verglichen die Genome ethnischer Tibeter mit den Genomen von Han-Chinesen. Die grundlegende Überlegung war, dass, wenn eine bestimmte Genversion bei Tibetern gefunden wurde, aber nicht bei ihren nahen Verwandten, die im Tiefland (Han) lebten, dieses Gen wahrscheinlich aus natürlicher Selektion stammte. Es wurde festgestellt, dass die Tibeter dieses Gen viel häufiger hatten als Han-Chinesen.

Genetische Studien gehen davon aus, dass sich die Tibeter von der Han-Chinesen abgespalten und vor weniger als 3000 Jahren ins Hochland ausgewandert sind, was bedeutet, dass die Bevölkerung in etwa hundert Generationen an das Leben in großen Höhen angepasst wurde. Das wäre das schnellste jemals dokumentierte Beispiel für die menschliche Evolution!

6. Wie unterscheidet sich die bei der tibetischen Bevölkerung beobachtete Anpassung von der Akklimatisierung?

7. Was sind die Folgen von zu vielen roten Blutkörperchen?

8. Was ist EPAS1 und welche Rolle spielt es im Kreislaufsystem?

9. Warum wollten Wissenschaftler die Gene der Tibeter mit den Genen der Han-Chinesen vergleichen?

10. Wissenschaftler untersuchten Tibeter und Han-Chinesen, um die durchschnittlichen Hämoglobin (Hb)-Mengen im Blut zu vergleichen.

Gruppe

Durchschnittliches [Hb] (g/dL) in großer Höhe

Durchschnitt [Hb] (g/dL) auf Meereshöhe

Tiefländer (Han-Chinesisch)18.515.3
Tibeter15.815.6

Warum sollten Wissenschaftler die Hb-Werte der Tibeter mit den beiden Gruppen der Han-Chinesen vergleichen wollen? Fassen Sie das obige Diagramm zusammen.

11. Unterstützen die Daten die Behauptung, dass sich Tibeter entwickelt haben? Oder liefert es Beweise dafür, dass sich die Tibeter angepasst haben? Erklären Sie Ihre Argumentation.

12. Diese Tabelle aus einem Originalartikel in einer Zeitschrift über die Höhenanpassung bei Tibetern. Es zeigt Daten von Personen mit verschiedenen Versionen des EPAS1 Gen. Die verschiedenen Genversionen werden "C" und "G" genannt. Denken Sie daran, dass Menschen zwei Kopien jedes Gens haben, daher zeigt diese Tabelle Daten für Personen, die zwei Kopien dieser Genversionen (CC und GG) tragen, und für Personen, die jeweils eine davon tragen (CG).

13. Welche Genversion ist für Tibeter, die in großen Höhen leben, am wahrscheinlichsten adaptiv? Woher wissen Sie das (Referenzdaten in der Tabelle)?

14. Was ist der phänotypische Unterschied zwischen einer Person mit CC-Genotyp und einer mit CG? Wie würde sich eine Person mit der CG-Variante Ihrer Meinung nach in großen Höhen messen?

15. Ärzte untersuchten die Kindersterblichkeitsrate unter der han-chinesischen Bevölkerung, die nach Tibet (große Höhe) gezogen war.

Wie viele pränatale Todesfälle wurden bei Tibetern verzeichnet? ____ Wie viele für Han? ____

Was bedeutet „pränatale Sterblichkeit“?

Fügen Sie dem Diagramm einen weiteren Balken hinzu, der Han-Chinesen in niedriger Höhe darstellen würde. Achten Sie auf die Höhe des Balkens und begründen Sie Ihre Wahl kurz.

16. Die folgende Grafik vergleicht das Geburtsgewicht und die postnatale Sterblichkeit zwischen den beiden Populationen. Kommentieren (Zusammenfassen) Sie das Diagramm, um zu erklären, was es Ihnen über die beiden Populationen sagt.

Evolution bezieht sich auf die Veränderung der Populationen im Laufe der Zeit. Diese Veränderung kann durch natürliche Selektion verursacht werden, bei der einige Merkmale den Individuen einen Vorteil verschaffen, die diese Merkmale dann an ihre Nachkommen weitergeben.

Wie stützen die Beweise über die Tibeter die Behauptung, dass sich der Mensch entwickelt? Legen Sie unter Verwendung spezifischer Details aus diesem Fall stützende Beweise vor.


Wissenschaftsdiplomatie in tibetischer Höhenbiologie

Cynthia Beall ist eine physikalische Anthropologin, deren Forschung sich darauf konzentriert, wie sich Menschen an Sauerstoffmangel in großen Höhen anpassen. Höhenhypoxie ist ein physiologisch belastender Zustand, der für Bewohner einiger der höchsten Bergketten der Welt, wie den Anden, der Himalaya und das östliche Hochland – ein riesiges MGebirgszug östlich von Simbabwe in Afrika.

Beall sagte traditionelle Bevölkerungen die an diesen Orten leben, haben keine kulturellen Veränderungen, die in der Lage sind, mit der Bedingung umzugehen, aber irgendwie Himalaya- Tibeter kommen anders zurecht als Tiefländer und andere hochgelegene Bevölkerungsgruppen. Ihre Forschung legt nahe, dass die Fähigkeiten der Tibeter möglicherweise auf die frühere Aktion der natürlichen Selektion zurückzuführen sind. Das Horizon-Programm der BBC zeigte kürzlich ihre von der National Science Foundation unterstützte Forschung in einem Dokumentarfilm mit dem Titel "Are We Still Evolving?" Hier, Beall beantwortet die ScienceLives 10 Fragen.

Name: Cynthia Beall Alter: 61 Institution: Case Western Reserve University Forschungsbereich: Physische Anthropologie

Was hat Sie dazu bewogen, dieses Studienfach zu wählen? Ein Bachelor-Studium führte mich in das Feld ein und ich war sofort begeistert. Das Feld integriert Humanbiologie, Ökologie und Evolutionsbiologie und ist faszinierend.

Was ist der beste Ratschlag, den Sie je bekommen haben? Machen Sie einen Schritt nach dem anderen.

Was war Ihr erstes wissenschaftliches Experiment als Kind? Einem Topf beim Kochen zusehen.

Was ist Ihre Lieblingsbeschäftigung als Forscher? Entdeckung.

Was ist die wichtigste Eigenschaft, die ein Forscher nachweisen muss, um ein effektiver Forscher zu sein? Ausdauer und Neugier sind wichtig.

Welchen gesellschaftlichen Nutzen hat Ihre Forschung? Es gibt Vorteile vom Typ Wissenschaftsdiplomatie. Zum Beispiel die Einführung der Forschung in hochgelegene Gemeinschaften, die keine Erfahrung mit dem Konzept haben, und die Einführung der globalen Forschung in die US-amerikanische akademische und wissenschaftliche Gemeinschaft. Das Verständnis der großen Variationsbreite der menschlichen Biologie hat intellektuelle Vorteile, und es hat gesundheitliche und biologische Vorteile, wenn man versteht, wie sich gesunde Menschen an Hypoxie anpassen. Mehr als 10 Prozent der US-Bevölkerung sind an einer mit Hypoxie verbundenen Krankheit erkrankt. In diesen Fällen wissen wir nicht immer, wie Hypoxie beteiligt ist oder die Prognose beeinflusst.

Wer hat Ihr Denken als Forscher am meisten beeinflusst? Mein Dissertationsberater Paul Baker und mein Kollege Mel Goldstein.

Was würde die Leute Ihrer Meinung nach an Ihrem Fachgebiet oder als Forscher am meisten überraschen? Ich verbringe Monate am Stück mit Camping und Trekking.

Wenn Sie nur eines aus Ihrem brennenden Büro oder Labor retten könnten, was wäre es? Meine Daten.

Welche Musik spielst du am häufigsten in deinem Labor oder Auto? Ich nicht.

Anmerkung des Herausgebers: Diese Forschung wurde von der National Science Foundation (NSF) unterstützt, der Bundesagentur, die für die Förderung von Grundlagenforschung und Bildung in allen Bereichen der Natur- und Ingenieurwissenschaften zuständig ist. Alle Meinungen, Ergebnisse und Schlussfolgerungen oder Empfehlungen in diesem Material sind die des Autors und spiegeln nicht unbedingt die Ansichten der National Science Foundation wider. Siehe die ScienceLives-Archiv.


Die tibetische Anpassung an die große Höhe erfolgte in weniger als 3.000 Jahren

Tibeter haben Mutationen in zahlreichen Genen, die damit zusammenhängen, wie der Körper Sauerstoff verwendet. Ein Vergleich der Genome von 50 Tibetern und 40 Han-Chinesen zeigt, dass sich ethnische Tibeter vor weniger als 3.000 Jahren von den Han abgespalten haben und seitdem schnell eine einzigartige Fähigkeit entwickelt haben, in großen Höhen und bei niedrigem Sauerstoffgehalt zu gedeihen.

Der genomweite Vergleich, der von Evolutionsbiologen der University of California, Berkeley, durchgeführt wurde, deckte mehr als 30 Gene mit DNA-Mutationen auf, die bei Tibetern häufiger vorkommen als bei Han-Chinesen, von denen fast die Hälfte mit der Sauerstoffnutzung des Körpers zusammenhängt. Insbesondere eine Mutation verbreitete sich von weniger als 10 Prozent der Han-Chinesen auf fast 90 Prozent aller Tibeter.

"Dies ist die schnellste genetische Veränderung, die jemals beim Menschen beobachtet wurde", sagte Rasmus Nielsen, Professor für integrative Biologie an der UC Berkeley, der die statistische Analyse leitete. "Für eine so starke Veränderung hätten viele Menschen sterben müssen, einfach weil sie die falsche Version eines Gens hatten."

Die bei Tibetern weit verbreitete Mutation befindet sich in der Nähe eines Gens namens EPAS1, ein sogenanntes "Supersportler-Gen", das vor einigen Jahren identifiziert und benannt wurde, weil einige Varianten des Gens mit einer verbesserten sportlichen Leistung in Verbindung gebracht werden, sagte Nielsen. Das Gen kodiert für ein Protein, das an der Messung des Sauerstoffgehalts beteiligt ist und möglicherweise den aeroben und anaeroben Stoffwechsel ausgleicht.

Die neuen Erkenntnisse könnten Wissenschaftler zu bisher unbekannten Genen führen, die eine Rolle dabei spielen, wie der Körper mit vermindertem Sauerstoff umgeht, und vielleicht einige Krankheiten erklären, darunter Schizophrenie und Epilepsie, die mit Sauerstoffmangel im Mutterleib verbunden sind, sagte er.

Nielsen und seine Kollegen in China und Europa berichten über ihre Ergebnisse in der Zeitschrift Science vom 2. Juli.

Nielsen, ein computergestützter Evolutionsbiologe, nutzt genomische Informationen, um genetische Veränderungen zu entdecken, die durch die natürliche Selektion ausgelöst werden, während sich Menschen und Tiere an neue Umgebungen angepasst haben. Veränderungen in der Häufigkeit von DNA-Mutationen sind ein Hinweis.

"Man sucht nach einer schnellen Evolution in den Genen, weil es etwas Wichtiges an diesem Gen geben muss, das es zwingt, sich so schnell zu verändern", sagte er. "Die neue Erkenntnis ist wirklich das erste Mal, dass uns allein evolutionäre Informationen dabei helfen, eine wichtige Funktion eines Gens beim Menschen zu lokalisieren."

Die Anpassung an einen niedrigen Sauerstoffgehalt hat es vielen Völkern ermöglicht, von den Anden bis zu den Tibetern, in großer Höhe zu leben. Wenn sich Menschen aus niedrigeren Höhenlagen über etwa 13.000 Fuß bewegen, wo der Sauerstoffgehalt etwa 40 Prozent niedriger ist als auf Meereshöhe, ermüden sie normalerweise leicht, entwickeln Kopfschmerzen, bringen Babys mit niedrigerem Geburtsgewicht zur Welt und haben eine höhere Säuglingssterblichkeitsrate. Tibeter haben trotz geringerer Sauerstoffsättigung im Blut und niedrigerem Hämoglobinspiegel keines dieser Probleme. Hämoglobin, das dem Blut seine rote Farbe verleiht, bindet und transportiert Sauerstoff zum Körpergewebe.

Nielsen nutzte Genomdaten des Beijing Genomics Institute (BGI) in Shenzhen, Chinas Flaggschiff-Genomzentrum, um die genetischen Veränderungen herauszufinden, die mit diesen physiologischen Veränderungen verbunden sind.

„Wir suchen nach Spuren vergangener Selektion, um etwas Funktionelles in unserem Genom zu finden“, sagte Nielsen

BGI-Forscher erhielten DNA von 50 Tibetern, die in der Autonomen Region Tibet in China leben, und 40 Han-Chinesen aus Peking. Die Tibeter lebten in zwei Dörfern auf einer Höhe von 4.300 Metern (14.100 Fuß) und 4.600 Metern (15.100 Fuß). Alle berichteten, dass mindestens drei Generationen von Vorfahren am selben Ort gelebt hatten. Nach Einholung der Einverständniserklärung nahmen die chinesischen Forscher den Teilnehmern Blutproben und maßen die Sauerstoffsättigung, die Konzentration der roten Blutkörperchen und den Hämoglobingehalt in ihrem Blut.

Zurück im Labor isolierte das BGI-Team von jedem Individuum nur die aktiven Gene oder Exons und nutzte dann die Sequenzierungstechnologie der nächsten Generation, um diese sogenannten Exome zu sequenzieren. Dabei wurde die DNA in viele kurze Stücke zerschnitten, jedes etwa 18 Mal mit hochmodernen Illumina-Sequenzierungsmaschinen sequenziert und dann mithilfe von Überlappungen das vollständige Genom jeder Person wieder zusammengesetzt. Diese Arbeit wurde von Jun Wang vom BGI und der Universität Kopenhagen in Dänemark geleitet.

Nielsen und die Postdoktoranden John E. Pool, Emilia-Huerta Sanchez und Nicolas Vinckenbosch führten die Analyse an der UC Berkeley durch, lokalisierten alle Punktmutationen, sogenannte Single-Nukleotid-Polymorphismen (SNPs), in den 90 Genomen und verglichen dann Tibetan und Han getrennt an eine Kontrollgruppe von 100 Europäern (Dänen).

Die Analyse ergab, dass sich die gemeinsamen Vorfahren der Tibeter und Han-Chinesen vor etwa 2.750 Jahren in zwei Populationen aufspalteten, wobei die größere Gruppe auf die tibetische Hochebene zog. Diese Gruppe schrumpfte schließlich, während die Han-Bevölkerung in niedriger Höhe dramatisch zunahm. Heute sind die Han-Chinesen die dominierende ethnische Gruppe auf dem chinesischen Festland. Der tibetische Zweig fusionierte entweder mit dem bereits besetzten tibetischen Plateau oder ersetzte sie.

"Wir können Vermischung und Austausch nicht unterscheiden", sagte Nielsen. "Die Han-Chinesen und die Tibeter sind so unterschiedlich, als ob die Han die Tibeter vor etwa 3.000 Jahren vollständig ersetzt hätten."

Das tibetische und das han-chinesische Genom sind in Bezug auf die Häufigkeit von Polymorphismen in den etwa 20.000 Genen im Wesentlichen identisch, obwohl etwa 30 Gene aufgrund dramatischer Unterschiede zwischen den Tibetern und den Han auffielen.

„Wir haben eine Liste der Gene erstellt, die sich am stärksten verändert haben“, sagte Nielsen, „und das Faszinierende war, dass Bing! zu Sauerstoff."

Der SNP mit der dramatischsten Änderung in der Häufigkeit, von 9 Prozent bei Han-Chinesen auf 87 Prozent bei Tibetern, war mit einer niedrigeren Anzahl roter Blutkörperchen und einem niedrigeren Hämoglobinspiegel bei Tibetern verbunden. Diese Variation trat in der Nähe eines Gens namens EPAS1 auf, von dem frühere Studien nahelegen, dass es an der Regulierung des Hämoglobins im Blut als Reaktion auf den Sauerstoffgehalt beteiligt ist. Die Mutation kann in einem Transkriptionsfaktor liegen, der die Aktivität von EPAS1 reguliert.

Tibeter, die nur ein Allel mit dieser Mutation trugen, hatten ungefähr die gleiche Hämoglobinkonzentration wie Han-Chinesen, aber diejenigen mit zwei mutierten Allelen hatten eine signifikant niedrigere Hämoglobinkonzentration. Sie haben jedoch alle etwa die gleiche Sauerstoffkonzentration im Blut. Aus irgendeinem Grund funktionieren Personen mit zwei Kopien der Mutation in großer Höhe mit relativ niedriger Hämoglobinkonzentration im Blut gut. Die Mutation scheint einen alternativen angeborenen Mechanismus für den Umgang mit dem niedrigen Sauerstoffgehalt zu bieten, sagte Nielsen.

Andere stark selektierte Varianten befanden sich in der Nähe der Gene für die fetalen und adulten Versionen der Globin-Gene, die die Strukturproteine ​​des Hämoglobins produzieren.

Zwei weitere Gene, die eine dramatische Frequenzverschiebung aufweisen, wurden mit Anämie in Verbindung gebracht, während mehrere andere Gene mit Krankheiten wie Schizophrenie und Epilepsie in Verbindung gebracht wurden, die möglicherweise durch einen niedrigen Sauerstoffgehalt im Mutterleib verursacht werden.

An der Studie hat ein großes Forscherteam des BGI mitgewirkt, das zum Teil auch mit der Graduate University der Chinese Academy of Sciences assoziiert ist.


Dieses Interview mit Dr. Emilia Huerta-Sanchez erklärt, wie Wissenschaftler in Populationen tibetischer Hochländer die genetischen Grundlagen für die Höhenanpassung gefunden haben. Dieses Video wird vom National Evolutionary Synthesis Center (NESCent) und UCMP produziert.

Die evolutionären Anpassungen, die es Tibetern ermöglichen, in großen Höhen zu funktionieren, unterscheiden sich stark von dem Akklimatisierungsprozess, den die meisten von uns durchlaufen, wenn wir Zeit an diesen Orten verbringen. Wenn Tiefländer zum Beispiel Denver, La Paz oder Lhasa besuchen, beginnt ihr Körper, mehr rote Blutkörperchen zu produzieren – die Sauerstofflieferanten im Körper. Diese zusätzlichen Zellen scheinen dabei zu helfen, verfügbaren Sauerstoff durch den Körper zu transportieren — und können schließlich den verringerten Sauerstoffgehalt kompensieren, wodurch Atmung und Herzfrequenz wieder normal werden. Dies ist ein Beispiel für phänotypische Plastizität, Veränderungen im Körper, in der Physiologie oder im Verhalten eines Organismus, die von der Umgebung abhängen, in der er sich befindet, und nicht von einer genetischen Veränderung. Der Wechsel zur Produktion von mehr roten Blutkörperchen, der auftritt, wenn ein Tieflandbewohner Lhasa besucht, spiegelt keine neue Mutation wider, sondern die Reaktion des Körpers auf eine neue Umgebung. Da sie keine genetische Veränderung einer Population widerspiegeln, sind solche Veränderungen, die innerhalb der Lebensspanne eines einzelnen Individuums auftreten, keine Anpassungen im evolutionären Sinne.

Andererseits hat die tibetische Hochlandbevölkerung im Laufe von Tausenden von Jahren Anpassungen entwickelt, die es Individuen ermöglichen, in einer Umgebung mit niedrigem Sauerstoffgehalt zu gedeihen. Paradoxerweise ist eine dieser Anpassungen fast genau das Gegenteil der Reaktion eines Tiefländers auf große Höhen: Tibeter haben Genversionen, die sie dazu bringen, zu produzieren weniger rote Blutkörperchen. Wie ist das hilfreich? Es stellt sich heraus, dass zusätzliche rote Blutkörperchen das Blut dicker machen — mehr wie Honig als Wasser — und ab einem bestimmten Punkt kann dieses zellbeladene Blut tatsächlich so dick, dass es die Kapillaren nicht effizient durchdringt, um die Zellen mit Sauerstoff zu versorgen. Blut mit zu vielen roten Blutkörperchen zu haben, kann während der Schwangerschaft besonders problematisch sein, da es mit einem langsamen fetalen Wachstum und einer hohen fetalen Mortalität verbunden ist. Eine Studie ergab, dass im tibetischen Hochland lebende Han-Chinesen (Verwandte der Tibeter im Tiefland, deren Körper auf große Höhen reagieren, indem sie mehr rote Blutkörperchen produzieren) drei häufiger vor oder nach der Geburt sterben als ethnische Tibeter! Auf lange Sicht kann die Produktion zusätzlicher roter Blutkörperchen mehr schaden als nützen.

Die Grundlage für die Anpassung der Tibeter ist keine Veränderung eines Gens, das Hämoglobin oder eines der anderen Proteine ​​​​produziert, aus denen rote Blutkörperchen bestehen. Stattdessen scheint die Schlüsselveränderung in einem DNA-Abschnitt (genannt EPAS1), das für ein regulatorisches Protein kodiert. Dieses Protein erkennt Sauerstoff und hilft, den Prozess der Produktion roter Blutkörperchen zu kontrollieren. Die Veränderung in EPAS1 scheint die Wahrscheinlichkeit einer Überproduktion roter Blutkörperchen bei Tibetern in extremen Höhen zu verringern und hilft ihnen daher wahrscheinlich, Höhenkrankheit zu vermeiden und den sich entwickelnden Föten effektiver Sauerstoff zuzuführen. Andere einzigartige Eigenschaften der Tibeter (eine höhere Atemfrequenz und Blutgefäße, die sich ausdehnen, um einen besseren Sauerstofftransport zu ermöglichen) tragen wahrscheinlich ebenfalls zu ihrer Höhentauglichkeit bei.

Dieses Interview mit Cynthia Beall stammt von einem Treffen im Jahr 2009 im National Evolutionary Synthesis Center. Interviews mit anderen Wissenschaftlern von diesem Treffen, ein Vortrag von Dr. Beall und zusätzliche Unterrichtsmaterialien sind auf der NESCent-Website verfügbar.

Wissenschaftler haben diese Erklärung kürzlich durch eine Reihe von Studien eingegrenzt, die alle darauf hinwiesen, dass EPAS1 als Schlüsselfigur bei der Höhenanpassung der Tibeter. Eine Gruppe von Biologen verglich die Genome ethnischer Tibeter mit den Genomen von Han-Chinesen sowie mit den Genomen entfernt verwandter Dänen. Die grundlegende Überlegung war, dass, wenn eine bestimmte Genversion mit hoher Häufigkeit bei Tibetern und niedriger Häufigkeit bei ihren nahen und entfernten Verwandten gefunden wird, diese Genversion wahrscheinlich in letzter Zeit durch die Wirkung der natürlichen Selektion zu einer hohen Häufigkeit in der tibetischen Bevölkerung angestiegen ist. Die extremsten Unterschiede in der Häufigkeit der Genversionen, die die Wissenschaftler beobachteten, waren in der EPAS1 Gen. Eine andere Gruppe von Wissenschaftlern beobachtete ähnliche Unterschiede in der Genfrequenz zwischen Tibetern und Han-Chinesen in und um die EPAS1 Gen. Diese Forschergruppe fand auch heraus, dass die genetischen Varianten von EPAS1 die bei Tibetern am häufigsten vorkamen, waren mit einem niedrigeren Hämoglobinspiegel verbunden, was auf eine niedrigere Anzahl roter Blutkörperchen hinweist. All diese Beobachtungen machten viel Sinn angesichts dessen, was bereits über die Funktion von bekannt war EPAS1 und passen zu früheren Beobachtungen der niedrigen Anzahl roter Blutkörperchen der Tibeter in großen Höhen, ihrer Widerstandsfähigkeit gegen Höhenkrankheit und ihrer relativ hohen Fruchtbarkeit in großen Höhen. All die verschiedenen Beweislinien weisen auf die gleiche Erklärung hin: die EPAS1 Gen und die umliegende Region scheinen ein Ziel der Selektion gewesen zu sein, als die Tibeter in höhere Lagen zogen und sich den Herausforderungen einer sauerstoffarmen Umgebung stellten.

Einige genetische Studien gehen davon aus, dass sich die Tibeter von der Han-Chinesen abgespalten und vor weniger als 3000 Jahren ins Hochland ausgewandert sind — Generationen. Wenn diese Schätzung richtig ist, wäre dies das schnellste bisher dokumentierte Beispiel der menschlichen Evolution.

Obwohl die Höhenanpassung der Tibeter ungewöhnlich schnell sein mag, ist sie nicht einzigartig. Als die Menschen Afrika verließen und sich in Populationen aufspalteten, die in sehr unterschiedlichen Umgebungen leben — von den Höhen der Anden über die bittere Kälte Sibiriens bis zu den winzigen Inseln des Pazifiks — erlebten diese Gruppen eine natürliche Selektion, die Eigenschaften gut begünstigte -an ihre Bedingungen angepasst und andere aussortiert. Wissenschaftler haben Anpassungen untersucht, die es Europäern und vielen Afrikanern ermöglichen, Laktose zu verdauen, die Eskimos helfen, sich warm zu halten und die es Europäern ermöglichen, Vitamin D zu synthetisieren Milch (oder nicht) oder sich in einem Parka einpacken (oder nicht), nehmen Sie sich einen Moment Zeit, um über die einzigartige Evolutionsgeschichte nachzudenken, die Sie heute geprägt hat.

News-Update, August 2014

Seit wir das letzte Mal über die faszinierenden Anpassungen der tibetischen Hochländer an ihre extreme Höhe berichtet haben, haben Wissenschaftler hart daran gearbeitet, genau herauszufinden, wie das EPAS1-Gen funktioniert und sich entwickelt. Jetzt enthüllt neue Forschung ihre unerwarteten Ursprünge: Die EPAS1-Genvariante führt ihre Vorfahren auf neu entdeckte Verwandte der frühen Menschen und die Denisova-Menschen zurück, die zur gleichen Zeit wie die frühen Menschen und Neandertaler lebten. Die EPAS1-Genversion der Tibeter und der sie umgebende DNA-Abschnitt unterscheiden sich von den Genversionen, die in jeder anderen existierenden menschlichen Population gefunden wurden, sind jedoch einer alten Genversion bemerkenswert ähnlich, die aus einem mehr als 40.000 Jahre alten Knochen in der Denisova-Höhle von gefunden wurde Sibirien. Die beste Erklärung für diese überraschende Beobachtung ist, dass sich Denisova-Menschen und die Vorfahren der modernen Tibeter kreuzten und dieser menschlichen Bevölkerung EPAS1 und andere genetische Sequenzen einführten. Als die Tibeter begannen, in großen Höhen zu leben, wurden Individuen bevorzugt, die das ungewöhnliche Gen trugen, und es verbreitete sich schnell in der Bevölkerung, was das Leben auf dem Hochplateau ein wenig einfacher machte.

Da sich die Technologie, die es uns ermöglicht, alte DNA zu untersuchen, immer besser wird, können wir weitere faszinierende Entdeckungen wie diese am Horizont erwarten. Durch die Analyse alter DNA haben wir vor kurzem entdeckt, dass sich Menschen und Neandertaler vermischt haben, dass die meisten menschlichen Populationen noch immer kleine Teile der Neandertaler-DNA enthalten und dass ein Gen, das bei Mexikanern und Lateinamerikanern zu Diabetes beiträgt, über diesen Weg in die menschliche Bevölkerung gelangt ist. Tatsächlich wurden die Denisova-Menschen vor nur 4 Jahren durch die Analyse alter DNA entdeckt. Bleiben Sie dran, um herauszufinden, was die alte DNA als nächstes über die menschliche Geschichte enthüllen wird!

    Beall, C. M. Cavalleri, G. L., Deng, L., Elston, R. C., Gao, Y., Knight, J., . . . Zhang, Y.T. (2010). Natürliche Selektion an EPAS1 (HIF2a) im Zusammenhang mit niedriger Hämoglobinkonzentration in tibetischen Hochländern. Proceedings of the National Academy of Sciences USA 107: 11459-11464.

von Die New York Times

von National Geographic News

Informationen zu Evolution-Ressourcen:

Diskussions- und Erweiterungsfragen

    Erkläre mit deinen eigenen Worten, was eine evolutionäre Anpassung ist. Nennen Sie ein Beispiel für eine Anpassung, die im obigen Artikel nicht beschrieben wurde.

Genotyp Tibeter mit diesem Genotyp in der Stichprobe (n = 366) Mittlere Hämoglobinkonzentration Mittlere Anzahl roter Blutkörperchen Mittlerer Sauerstoffgehalt im Blut
CC 10 178 5.3 87.5
CG 84 178.9 5.6 86.68
GG 272 167.5 5.2 86.42
* Aus Tabelle S4 in Yi et al. (2010) übernommen.

    Was ist die häufigste Genversion unter Tibetern?

Verwandte Lektionen und Unterrichtsmaterialien

    Lehren Sie über natürliche Selektion und Anpassung: Dieses Brettspiel für die Klassen 9-12 simuliert die natürliche Selektion. Es eignet sich für einen einführenden Biologieunterricht und für fortgeschrittene Klassen, in denen Sie wichtige Prinzipien wie die Rolle von Variation und Mutation näher erläutern können.

: Dieser Artikel für die Klassen 9-16 beschreibt, wie die Evolution es verschiedenen menschlichen Populationen ermöglicht hat, die Ernährungsmöglichkeiten der Milchviehhaltung zu nutzen.

    Beall, C. M. Cavalleri, G. L., Deng, L., Elston, R. C., Gao, Y., Knight, J., . . . Zhang, Y.T. (2010). Natürliche Selektion an EPAS1 (HIF2a) im Zusammenhang mit niedriger Hämoglobinkonzentration in tibetischen Hochländern. Proceedings of the National Academy of Sciences USA 107: 11459-11464.


Materialen und Methoden

Sechs bis acht Wochen alte weibliche Balb/c-Mäuse (Beijing Vital River Laboratory Animal Technology Co., Ltd., Peking) wurden mit autoklaviertem Futter und Wasser in einzeln belüfteten Käfigen (IVC) gefüttert und in einem spezifischen Pathogen- kostenlose Einrichtung am Medical College der Qinghai University. Die Tierpflege erfolgte in Übereinstimmung mit Protokollen, die vom Institutional Animal Care and Use Committee des Medical College der Qinghai University genehmigt wurden.

Hypoxie-Behandlung

Zwölf weibliche Balb/c-Mäuse wurden zufällig in zwei Gruppen (6 Tiere pro Gruppe) eingeteilt: Gruppe in niedriger Höhe und Gruppe in großer Höhe. Für die Gruppe in niedriger Höhe wurden Mäuse in einer Tieranlage auf 2200 m über dem Meeresspiegel aufgezogen. Für die Höhengruppe wurden die Mäuse 5000 m über dem Meeresspiegel in einer kontrollierten hypobaren Kammer (DYC-3000, 8 m × 3 m × 3 m, Guizhou Guizhou Fenglei Aviation Ordnance Co., Ltd, Guizhou, China) mit IVC gehalten, um die Expositionshypoxie aufrechtzuerhalten 30 Tage lang Luft.

Blutprobenentnahme

Am Ende der Experimente (nach 30-tägiger Hypoxie-Exposition) wurden die Mäuse durch i. P. Injektion von 2,5 % Avertinlösung und Blutproben wurden durch Herzpunktion entnommen [19]. Hämatologische und biochemische Proben wurden mit einem vollautomatischen Blutzellenanalysator (BM-800, Peking) analysiert.

Stuhlprobensammlung

Frische Stuhlproben wurden gesammelt und in sterile 2-ml-Zentrifugenröhrchen überführt und zur Kryokonservierung schnell in einen –80°C kryogenen Gefrierschrank überführt.

Fäkale Mikrobiomanalyse

DNA-Extraktion und PCR-Amplifikation.

Die gesamte Genom-DNA aus Proben wurde mit der CTAB-Methode extrahiert. Die DNA-Konzentration und -Reinheit wurde auf 1% Agarosegelen überwacht. Je nach Konzentration wurde die DNA mit sterilem Wasser auf 1 ng/μl verdünnt. Die V4-Region des 16S rRNA-Gens (300–350 bp) wurde unter Verwendung eines spezifischen Primers (515F: GTG CCA GCM GCC GCG GTAA 806R: GGA CTA CHV GGG TWT CTA AT) mit dem Barcode amplifiziert. Alle PCR-Reaktionen wurden mit Phusion® High-Fidelity PCR Master Mix (New England Biolabs) durchgeführt.

Quantifizierung und Qualifizierung von PCR-Produkten.

PCR-Produkte wurden auf einem 2% Agarosegel visualisiert und Amplikons zwischen 400–450 bp wurden für die weitere Verarbeitung ausgewählt.

Mischung und Reinigung von PCR-Produkten.

PCR-Produkte wurden in Äquidichteverhältnissen gemischt. Dann wurden gemischte PCR-Produkte mit dem Qiagen Gel Extraction Kit (Qiagen, Deutschland) gereinigt.

Bibliotheksvorbereitung und Sequenzierung.

Sequenzierungsbibliotheken wurden mit dem TruSeq® DNA PCR-Free Sample Preparation Kit (Illumina, USA) gemäß den Empfehlungen des Herstellers erstellt und Indexcodes wurden hinzugefügt. Die Qualität der Bibliothek wurde auf dem [email protected] 2.0 Fluorometer (Thermo Scientific) und dem Agilent Bioanalyzer 2100-System bewertet. Zuletzt wurde die Bibliothek auf einer Illumina HiSeq 2500-Plattform sequenziert und 250 bp Paired-End-Reads generiert. Sequenzierung und Analyse der Stuhl-DNA wurden bei Novogen Company (Beijing, China) durchgeführt.

Datenanalyse

Paired-End-Reads wurden den Proben basierend auf ihrem einzigartigen Barcode zugeordnet und durch Abschneiden des Barcodes und der Primersequenz abgeschnitten. Paired-End-Reads wurden mit FLASH (V1.2.7, http://ccb.jhu.edu/software/FLASH/) [20] zusammengeführt. Die hochwertigen, sauberen und effektiven Tags wurden durch Qualitätsfilterung erhalten [21, 22 ] und Chimärenentfernung [23]. Die Sequenzanalyse wurde mit der Uparse-Software (Uparse v7.0.1001, http://drive5.com/uparse/) [24] durchgeführt. Sequenzen mit ≥ 97% Ähnlichkeit wurden denselben OTUs zugeordnet. Eine repräsentative Sequenz für jede OTU wurde auf weitere Annotation gescreent. OTUs-Häufigkeitsinformationen wurden unter Verwendung eines Standards der Sequenznummer normalisiert, der der Probe mit den wenigsten Sequenzen entsprach. Nachfolgende Analysen der Alpha-Diversität und Beta-Diversität wurden alle basierend auf diesen normalisierten Ausgabedaten durchgeführt. Alpha-Diversität wurde bei der Analyse der Komplexität der Artenvielfalt für eine Probe angewendet. Von den Alpha-Diversity-Indizes wurden Simpson, Shannon, Chao, ACE und Goods_coverage mit QIIME (Version 1.7.0) berechnet, während Verdünnungskurven mit R-Software (Version 2.15.3) angezeigt wurden. Die mikrobielle Verteilung in den Proben wurde mit dem R-Paket (Version 2.15.3) basierend auf Informationen zur Zusammensetzung der Gemeinschaft auf taxonomischer Ebene visualisiert. Die Beta-Diversität (Non-Metric Multi-Dimensional Scaling, Anosim) wurde als vergleichende Analyse mikrobieller Gemeinschaften in verschiedenen Proben verwendet. Non-Metric Multi-Dimensional Scaling (NMDS) und Anosim wurden mit dem R-Paket vegan analysiert. The phylogenetic investigation of communities by reconstruction of unobserved states (PICRUSt) (Galaxy Version 1.0.0) was used to analyze the enrichment of functional genes in the fecal microbiota of each group. BugBase (http://github.com/danknights/bugbase) was used to calculate differences between both groups in terms of microbial phenotypes.


It’s in the genes: how Tibetans survive in high altitudes

In a groundbreaking discovery, researchers have found that Tibetans were able to adapt to high altitudes because of a gene picked up when their ancestors mated with a species of humans they helped push to extinction.

This is the first time a gene from another human species has been shown unequivocally to have helped modern humans adapt to their environment.

An unusual variant of a gene involved in regulating the body’s production of haemoglobin — the molecule that carries oxygen in the blood — became widespread in Tibetans after they moved onto the high-altitude plateau several thousand years ago.

This variant, called EPAS1, allowed them to survive despite low-oxygen levels at elevations of 15,000 feet or more whereas most people develop thick blood at high altitudes, leading to cardiovascular problems, researchers from University of California, Berkeley, claimed. “We have very clear evidence that this version of the gene came from Denisovans, a mysterious human relative that went extinct 40,000-50,000 years ago, around the same time as the more well-known Neanderthals, under pressure from modern humans,” explained Rasmus Nielsen, professor of integrative biology at UC Berkeley.


Access to Document

  • APA
  • Standard
  • Harvard
  • Vancouver
  • Autor
  • BIBTEX
  • RIS

Andean and Tibetan patterns of adaptation to high altitude. / Bigham, Abigail W. Wilson, Megan J. Julian, Colleen G. Kiyamu, Melisa Vargas, Enrique Leon-Velarde, Fabiola Rivera-Chira, Maria Rodriquez, Carmelo Browne, Vaughn A. Parra, Esteban Brutsaert, Tom D. Moore, Lorna G. Shriver, Mark D.

Forschungsergebnis : Beitrag zu Zeitschrift › Artikel › peer-review

T1 - Andean and Tibetan patterns of adaptation to high altitude

N2 - Objectives: High-altitude hypoxia, or decreased oxygen levels caused by low barometric pressure, challenges the ability of humans to live and reproduce. Despite these challenges, human populations have lived on the Andean Altiplano and the Tibetan Plateau for millennia and exhibit unique circulatory, respiratory, and hematological adaptations to life at high altitude. We and others have identified natural selection candidate genes and gene regions for these adaptations using dense genome scan data. One gene previously known to be important in cellular oxygen sensing, egl nine homolog 1 (EGLN1), shows evidence of positive selection in both Tibetans and Andeans. Interestingly, the pattern of variation for this gene differs between the two populations. Continued research among Tibetan populations has identified statistical associations between hemoglobin concentration and single nucleotide polymorphism (SNP) genotype at EGLN1 and a second gene, endothelial PAS domain protein 1 (EPAS1). Methods: To measure for the effects of EGLN1 and EPAS1 altitude genotypes on hemoglobin concentration among Andean highlanders, we performed a multiple linear regression analysis of 10 candidate SNPs in or near these two genes. Results: Our analysis did not identify significant associations between EPAS1 or EGLN1 SNP genotypes and hemoglobin concentration in Andeans. Conclusions: These results contribute to our understanding of the unique set of adaptations developed in different highland groups to the hypoxia of high altitude. Overall, the results provide key insights into the patterns of geneticadaptation to high altitude in Andean and Tibetan populations. Bin. J. Hum. Biol. 25:190-197, 2013.

AB - Objectives: High-altitude hypoxia, or decreased oxygen levels caused by low barometric pressure, challenges the ability of humans to live and reproduce. Despite these challenges, human populations have lived on the Andean Altiplano and the Tibetan Plateau for millennia and exhibit unique circulatory, respiratory, and hematological adaptations to life at high altitude. We and others have identified natural selection candidate genes and gene regions for these adaptations using dense genome scan data. One gene previously known to be important in cellular oxygen sensing, egl nine homolog 1 (EGLN1), shows evidence of positive selection in both Tibetans and Andeans. Interestingly, the pattern of variation for this gene differs between the two populations. Continued research among Tibetan populations has identified statistical associations between hemoglobin concentration and single nucleotide polymorphism (SNP) genotype at EGLN1 and a second gene, endothelial PAS domain protein 1 (EPAS1). Methods: To measure for the effects of EGLN1 and EPAS1 altitude genotypes on hemoglobin concentration among Andean highlanders, we performed a multiple linear regression analysis of 10 candidate SNPs in or near these two genes. Results: Our analysis did not identify significant associations between EPAS1 or EGLN1 SNP genotypes and hemoglobin concentration in Andeans. Conclusions: These results contribute to our understanding of the unique set of adaptations developed in different highland groups to the hypoxia of high altitude. Overall, the results provide key insights into the patterns of geneticadaptation to high altitude in Andean and Tibetan populations. Bin. J. Hum. Biol. 25:190-197, 2013.


The Genetics of High-Altitude Living

Call it Sherpa envy. Mountain climbers have long wished they could discover—and bottle in a drug—how Tibetans live and work high in the Himalayas without getting altitude sickness. Now researchers have discovered two new gene variants that help Tibetans use oxygen more efficiently than people who live at low altitudes natural selection favored these variants in Tibetans, whose ancestors have lived at high altitude for thousands of years.

Researchers have been mystified as to how Tibetans have thrived at altitudes over 4400 meters (14,435 feet). Some high-altitude people, such as Andean highlanders, have an adaptation that adds more oxygen-rich hemoglobin to their blood. But many highland Tibetans, researchers have found, have less hemoglobin in their blood. That helps them avoid serious problems caused by too much hemoglobin, but Tibetans with this so-called decreased hemoglobin phenotype must somehow use small amounts of oxygen efficiently to get enough of it to their limbs while exercising at high altitude. Researchers have been unable to pinpoint the genes that are responsible for this remarkable balancing act in their blood.

In a report published online today in Wissenschaft, a team of Chinese and American researchers identified variants of two genes involved in oxygen processing that are found in most Tibetan highlanders. The researchers used two methods to search for these genes. First, they scanned DNA registries for genes that might be involved in regulating oxygen in the blood and identified 247 candidate genes that vary in different populations. Then they analyzed segments of DNA that include those 247 genes in 31 unrelated Tibetans, 45 Chinese, and 45 Japanese lowland people whose DNA was genotyped in the HapMap Project. By identifying regions that had a characteristic signature of being strongly altered by natural selection, they were able to identify relatively new gene variants that had swept through highland Tibetans, but not Chinese or Japanese lowlanders. They finally homed in on 10 genes, including two, EGLN1 und PPARA, that were found at the highest frequency in Tibetans who had the least oxygen in their blood.

The researchers found that people who have more copies of the gene variants (by inheriting a copy of each advantageous variant from both parents), had the least amount of oxygen in their blood and used it more efficiently than people without either variant, or only one copy from one parent. “Tibetans with these genes appear to be much more efficient with the oxygen they have,” says senior author Lynn Jorde, a human geneticist at the University of Utah School of Medicine in Salt Lake City.

The next step is to do functional studies to see how these gene variants actually regulate oxygen levels.

“This is a groundbreaking paper,” says geneticist Anna Di Rienzo of the University of Chicago in Illinois. “These genes seem to have relatively large phenotypic effects.”

But although these genes apparently lower the level of oxygen in the blood, they are responsible for only part of the story of the Tibetans’ adaptation and would not by themselves make a beneficial drug for climbers. “Just lowering your hemoglobin alone would make you less well adapted to high altitude,” points out Jorde. Researchers are still searching for the genes that orchestrate how Tibetans transport low levels of oxygen so efficiently to their tissues—a process that may involve using nitric oxide to boost their blood volume.


Tibetan Mastiffs Bred with Mountain Wolves to Survive at Super-High Altitudes

Lie down with Tibetan wolves, wake up a super-respirator.

Tibetan mastiffs are monstrous dogs that survive high in the mountains, and now we know their ability to thrive in such harsh and low-oxygen environs comes from an extra shot of wolfishness in their genes.

The bulky dogs, which can weigh up to 150 lbs. (70 kilograms), are "renowned for [their] hypoxia tolerance," according to the authors of a new study into these dogs' genes. That means that Tibetan mastiffs can thrive at high altitudes, where the thin air would kill other breeds. And now, according to a paper published July 30 in the journal Molecular Biology and Evolution, we know why: At some point in the past, the dogs interbred with Tibetan wolves, and their descendants inherited gene mutations that code for two amino acids ⁠&mdash small pieces of a protein ⁠&mdash that make Tibetan mastiffs' blood better at capturing and releasing oxygen.

Researchers already knew from previous research that Tibetan mastiffs and wolves shared a pair of mutations not present in other dog species. But this is the first study that shows what the altered amino acids do.

The two tweaks alter the way the dogs and wolves produce hemoglobin, the iron-containing protein in blood that carries oxygen, the researchers showed. They compared hemoglobin from Tibetan mastiffs and Tibetan wolves with hemoglobin from other domestic dogs, and showed that Tibetan mastiffs and wolves have a significant advantage in their ability to absorb and release oxygen under thin-air conditions.

"At altitude, the problem is taking in oxygen, because there's just less of it," said Tony Signore, a biologist at the University of Nebraska-Lincoln and one of the authors of the study, in a statement. "If you think of hemoglobin like an oxygen magnet, this magnet's just stronger."

From their genetic studies, it appears that, in the distant past, Tibetan wolves sometimes had these mutations in a stretch of dormant DNA, which didn't code for a protein. At some point, those mutations got copied into an active gene, thereby giving the wolves altered hemoglobin.

Then, as the animals moved into higher-altitude environments, the handful of wolves that had these mutations came to dominate the species, and they became the norm. Later on, the wolves passed on the tweaked gene to Tibetan mastiffs, and those that inherited the altered hemoglobin gene came to dominate the breed.


Humans are remarkably close-knit, genetically: of the genetic information that can differ from person to person, less than 10% of this variation is specific to any particular population, while the remaining 90% of differences are seen throughout all human populations []! Yet, people have migrated to populate diverse and extreme environments worldwide, including hot, humid rainforests, arid deserts, and parched, freezing tundra. How humans are able to survive and reproduce under so many different conditions is a mystery scientists are just beginning to understand. New research offers tantalizing clues as to how populations living in the highlands of Tibet, Ethiopia, and the Andes are able to cope with atmospheric oxygen pressures as low as 60% of that at sea level [].

Dangers of living at high-altitude

When people from populations that have lived at sea level for thousands of years go to altitudes above 2,500 meters, they experience hypoxia—a severe lack of oxygen. For several days, people hyperventilate and burn extra energy even while resting. Their ability to extract oxygen from the blood decreases, diminishing their capacity for physical exertion []. The concentration of hemoglobin, which carries oxygen in red blood cells (Abbildung 1), gradually increases in order to provide more oxygen to the tissues []. If sea-level people remain at high-altitudes for years, with old age this “thickening of the blood” leads to mountain sickness: fatigue, dizziness, breathlessness, headaches, insomnia, pain, ear-ringing, purpling of the hands and feet, and dilated veins []. In extreme cases hypoxia and mountain sickness lead to death []. Pregnant women, who breathe for two, experience a special danger []. Oxygen-restriction for the unborn baby typically results in growth-restriction and the release of distress signals that induce high blood pressure in the mother []. High blood pressure during pregnancy is called preeclampsia, and results in premature labor, small birth-weight babies, and often hemorrhaging, seizures, and death for the mother. Strikingly, high-altitude peoples of Tibet, Ethiopia, and the Andes have been living at altitudes of 2,500 to 4,000 meters for millennia and are protected from these conditions [].

Abbildung 1. Red blood cells containing hemoglobin molecules travel in the bloodstream. These hemoglobin molecules bind oxygen obtained from the lungs and carry this oxygen through the blood to the tissues. (Credit: emsbasics.com/)

How do high altitude populations avoid hypoxia?

Andeans, who have been living at high-altitudes for no more than 11,000 years, exhibit the same elevated hemoglobin concentrations that low-landers exhibit at high elevations. However, they also have increased oxygen-saturation of their hemoglobin []. Essentially, Andeans have more oxygen per blood volume than other people []. This enables them to avoid hypoxia and reproduce without high danger of death for the mother or baby. Yet elevated hemoglobin levels still leave them at risk for mountain sickness with old age [].

Tibetans, who have been living at high-altitudes for just 3,000 years, don’t exhibit the elevated hemoglobin concentrations of Andeans and sea-level populations at high-altitudes (Figur 2) []. Instead, Tibetans breathe more air with each breath and breathe more rapidly than either sea-level populations or Andeans []. Unlike people from sea level who only experience hyperventilation for a few days after entering high altitudes, Tibetans retain this rapid breathing and elevated lung-capacity throughout their lifetime []. This enables them to breathe larger amounts of air per unit of time to compensate for low oxygen levels. In addition, Tibetans have high levels of nitric oxide in their blood []. Nitric oxide dilates blood vessels, allowing them to move larger volumes of blood through their body in the same amount of time. Together with increased breathing, this allows Tibetans to move sufficient oxygen to their tissues without increasing hemoglobin concentration []. Thus, they avoid both the dangers of hypoxia in pregnancy and mountain sickness with old age [].

Figur 2. Tibetans at 4,000 meters have lower concentrations of hemoglobin, shown in grams per deciliter (gm/dL), than Andeans at 4,000 meters since they have evolved alternative adaptations to cope with hypoxia. (Credit: [], Figure 3)

The Amhara of Ethiopia also live at extremely high altitudes, around 3,000-3,500 meters, but how they manage it physiologically remains a mystery []. They exhibit elevated hemoglobin levels, like Andeans and low-lander peoples at high altitudes, but do not exhibit the Andean’s increase in oxygen-saturation of hemoglobin []. Yet, similar to the Andeans and Tibetans, the Amhara of Ethiopia are protected from the extreme dangers posed by pregnancy at high-altitudes, which means they must rely on a different, unknown mechanism for getting enough oxygen in these conditions [].

How have these adaptations arisen?

Where did these amazing abilities to thrive at high altitudes come from? Importantly, the physiological mechanisms responsible are heritable—passed down from one generation to the next. People from sea-level populations born and raised at extreme altitudes do increase hemoglobin levels, but remain at risk for mountain sickness and preeclampsia during pregnancy []. Subtle genetic adaptations enable people to live healthily at high altitudes. Why did this come to be? As described above, the costs of childbirth at high-altitudes—often death for the mother or baby—were so extreme that random genetic mutations that helped to prevent these complications were much more likely to be passed on to the next generation []. Over generations these changes that are advantageous become more common in the population as more people with the altered genes live and reproduce successfully. This represents strong, positive, evolutionary selection. In each of the high-altitude populations, the selection was strong enough to have changed the physiology of the population over just a few hundred generations.

Researchers have begun to identify genetic adaptations using statistical methods to detect evidence of positive selection. Amazingly, many of the genes detected in Tibetans, Andeans, and Amhara are members of a network of interacting genes called the Hypoxia-Inducible Factor (HIF) oxygen signaling pathway []. In other words, it is already known that these genes are activated in conditions of hypoxia, such as aerobic exercise.

For example, changes to the gene EPAS1, which controls hemoglobin production, are being positively selected in Tibetans []. These mutations in EPAS1, at higher frequency in Tibetans than their Han neighbors, correlate with decreased hemoglobin concentrations amongst Tibetans []. Since low hemoglobin concentration at high altitude is the hallmark of Tibetan adaptation to hypoxia, these mutations are likely important genetic adaptations to high-altitude []. Another gene, EGLN1, which decreases hemoglobin production when oxygen is plentiful, also shows genetic patterns of variation consistent with selection in [js1] [EB2] both Tibetans and Andeans []. Other genes under selection are unique to just Tibetan, Andean, or Amhara populations []. Genes under selection in the Amhara have roles in the response to lung injury, hemoglobin production in the unborn baby, and the function of mitochondria – the oxygen-consuming energy producers of the cell []. While scientists cannot yet pinpoint how the Amhara have adapted to high-altitude, these genes provide fascinating hints to further explore []. Furthermore, people from the highlands of Ethiopia and Kenya are some of the best long-distance runners in the world—understanding evolutionary adaptations to high-altitude hypoxia may suggest new avenues for improving aerobic performance []!

Human adaptation to diverse environments remains one of the great mysteries of human evolution. As a species, humans share extraordinary flexibility, using culture to cope with harsh conditions. Yet, populations also employ unique biological adaptations to novel environments. The highlanders of Ethiopia, Tibet, and the Andes demonstrate that even when presented with the same conditions, human populations may adapt in unique ways []. Moreover, if the selection is powerful, populations adapt in just a few thousand years []! Biological and cultural flexibility confer extraordinary powers for humans to live and reproduce around the world.

Elizabeth Brown is a graduate student in the Human Evolutionary Biology program of the Graduate School of Arts and Sciences at Harvard University.

Verweise

1. University of Washington. “Genome-wide Insights Into Patterns Of The World’s Human Population Structures.” WissenschaftTäglich, 14 May 2009. Web. 17 Jun. 2012. <http://www.sciencedaily.com/releases/2009/05/090514130631.htm>

2. Mayell, Hillary. “Three High-Altitude Peoples, Three Adaptations to Thin Air,” National Geographic News. 2004 <http://news.nationalgeographic.com/news/2004/02/0224_040225_evolution_2.html>

3. Beall, Cynthia. “Two routes to functional adaptation: Tibetan and Andean high-altitude natives” PNAS, 104:suppl1. 2007.


Tibetan people have multiple adaptations for life at high altitudes

Tibetan Plateau in Qinghai. Credit: DaiLuo, Flickr, CC BY

The Tibetan people have inherited variants of five different genes that help them live at high altitudes, with one gene originating in the extinct human subspecies, the Denisovans. Hao Hu and Chad Huff of the University of Texas, Houston, and colleagues report these findings in a new study published April 27th, 2017 in PLOS Genetics.

The people of Tibet have survived on an extremely high and arid plateau for thousands of years, due to their amazing natural ability to withstand low levels of oxygen, extreme cold, exposure to UV light and very limited food sources. Researchers sequenced the whole genomes of 27 Tibetans and searched for advantageous genes. The analysis identified two genes already known to be involved in adaptation to high altitude, EPAS1 and EGLN1, as well as two genes related to low oxygen levels, PTGIS and KCTD12. They also picked out a variant of VDR, which plays a role in vitamin D metabolism and may help compensate for vitamin D deficiency, which commonly affects Tibetan nomads. The Tibetan variant of the EPAS1 gene originally came from the archaic Denisovan people, but the researchers found no other genes related to high altitude with Denisovan roots. Further analysis showed that Han Chinese and Tibetan subpopulations split as early as 44 to 58 thousand years ago, but that gene flow between the groups continued until approximately 9 thousand years ago.

The study represents a comprehensive analysis of the demographic history of the Tibetan population and its adaptations to the challenges of living at high altitudes. The results also provide a rich genomic resource of the Tibetan population, which will aid future genetic studies.


Schau das Video: Was ist Adrenalin und wie wirkt es im Körper? Biologie. Duden Learnattack (Kann 2022).