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文/席佛頓;譯/鄧子衿

乳汁是一種特殊的液體,有兩種相輔相成的功能:提供營養,以及提供保護。營養來自於乳汁中的蛋白質、脂肪、糖類(乳糖)、鈣質與其他礦物質。保護來自於乳汁中的抗體,以及其他具備抗菌功能的酵素,這些成分在初乳中特別豐富。初乳是剛出生哺乳動物最早吸到的乳汁,其中也含有母親的免疫細胞。

乳汁中含有的碳水化合物,全都是罕見的糖類:乳糖,而不是所有細胞都能夠共通使用的葡萄糖。這種情況很少見,值得注意。哺乳動物為什麼要提供這種需要消化之後才能利用的碳水化合物給幼兒?如果乳汁中含有的是即刻便能利用的高能葡萄糖,對幼兒不是更好嗎?答案可能在於乳糖的獨特性質,具備了葡萄糖所缺乏的優勢。世界上到處都充滿想要大吃葡萄糖的細菌和酵母菌,只有幾種細菌能夠利用乳糖。想想看細菌或酵母菌感染了乳腺之後,會對母親和幼兒造成什麼樣的災難?

釀酒者利用了酵母菌無法讓乳糖發酵的特性,在啤酒中加入乳糖以增加甜味,製造出來的啤酒稱為牛乳司陶特(milk stout)。如果加的是葡萄糖或是蔗糖,酵母菌會把這些糖類轉換成酒精。

如果要用特殊的糖類餵養幼兒,會產生一個問題:幼兒需要特殊的酵素分解乳糖,之後才能加以利用。哺乳類的幼兒能夠製造乳糖酶來解決這個問題。當幼兒長大斷奶之後,乳糖酶便愈來愈少,最後身體不再製造這種酵素,因為沒有需要了。成年動物吃的食物中沒有乳糖。所以,哺乳類在小時候把乳汁中的乳糖當作能量來源,成年後卻通常無法消化乳糖。

人類成年後往往也無法消化乳糖。如果你有乳糖不耐的狀況,又吃了沒有經過發酵的新鮮乳汁,那麼可能會腹瀉、肚子疼,因為腸胃道的細菌會大吃這些乳糖,讓你的肚子漲氣。如果你能夠耐受乳糖,是因為你身上有一種對偶基因,讓你在成年後依然持續產生乳糖酶。這類突變的出現與散播,與個人的家族歷史有關。

突變讓人類可以消化乳糖

考古遺跡中發現的古代陶器碎片上有乳汁的殘留物,這顯示亞洲西南地區的人在七千年前便食用乳製品了,特別是從事畜牧的地區。我們無法確定這些早期陶器最初用以儲存哪些乳製品,但應該是優格,而不是起司,起司可能是比較晚才發明的。最早的盛乳陶器出現後一千年,才出現製造起司所需要的器具。那是大約在六千年前,一種有許多細孔的新型陶鍋出現了,這種鍋子的碎片上附著了乳脂殘渣。這些鍋子可能是過濾器,把富含脂肪的凝塊與含有乳糖的乳清分開來,以製造起司。

新石器時代的歐洲農民和發明酪農業的亞洲西南地區人民一樣,成年之後也無法耐受乳糖。耐受乳糖的突變約在七千五百年前出現於中歐的高加索山區,這種讓成年人依然可以消化乳糖的突變基因很快便散播到整個北歐,並且從此改變了歐洲人的後代,不論他們今日住在何地。例如在美國的猶他州,超過九成的成年人能夠耐受乳糖。

為何讓乳糖酶持續產生的突變很快就遍布歐洲,但是在最初酪農業發展出來的地方卻沒有演化出來並且散布出去呢?這個問題的後半部比前半部容易回答,那是因為當地發展出了製造起司和優格的技術,把乳汁中的乳糖除去了,所以就算是乳糖不耐的人也可以享受乳製品,不會引起身體不適。在亞洲西南地區的人群中,即使出現了讓乳糖酶持續產生的突變,基於當地人利用乳製品的方式,具備這種突變也不有演化優勢,因此突變不會散播。酪農業最早出現在亞洲西南地區,但是當地人現在幾乎都沒有讓乳糖酶持續產生的突變,應該就是這個原因。

遠東地區沒有酪農業傳統,這種對偶基因也就不可能普遍。歐洲雖然有酪農業,為何沒能阻止乳糖酶持續產生的突變的演化?這個問題依然懸而未決。

乳糖酶持續產生的突變很快從中歐往北散播,是人類之中正向天擇的絕佳案例。從乳糖酶持續產生的對偶基因的散播速度來估算,這種對偶基因帶來的效益比起正常的對偶基因高出了百分之十五。這個數字可以解釋這個突變散播的方式,卻不能說明散播的原因。雖然從演化證據來看,乳糖酶持續產生的突變能帶來很大利益,但是我們卻很難好好說明飲用新鮮乳汁在營養上有多大的好處。有人說新鮮乳汁能夠提供維生素D和鈣質,或是在農作物歉收時能當成救飢的食物,在北歐可能就是如此。

包括生命起源在內的許多演化事件往往難以了解,是因為這些事件都是獨一無二的,事件成因很能難與巧合區分開來。不過乳糖酶持續產生的突變並沒有這種問題,因為它曾經多次演化出來。

在沙烏地阿拉伯也出現了乳糖酶持續產生的突變,是發生在同一個基因上的另一種突變。在沙烏地阿拉伯,並沒有人牧養牛隻,但是當地的游牧民族貝都因人會飲用駱駝乳汁。在阿拉伯沙漠這樣乾燥的環境中,乳汁中含有的水分和其他營養成分,可能對於乳糖酶持續產生突變的演化非常重要。在東非,乳汁做為水分來源,也影響了天擇篩選出乳糖酶持續產生的突變。

在東非坦尚尼亞、肯亞和蘇丹的游牧民族,各自有不同的對偶基因,讓他們能夠飲用牛乳。這三種非洲的突變是獨立出現的,也和歐洲與沙烏地阿拉伯的突變不同,這使得乳糖酶持續產生的突變至少有五個不同的演化案例。

目前全世界有三分之一的人耐受乳糖,其他人的運氣就沒那麼好了。

※ 本文摘自《與達爾文共進晚餐》,原篇名為〈乳汁含有罕見的乳糖〉,立即前往試讀►►►

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