L'alimentazione umana: passato, presente e futuro

‘Nulla ha senso in biologia se non alla luce dell’evoluzione’

Theodosius Dobzhansky

L’alimentazione umana: passato, presente e futuro

Carmen Losasso, PhDUniversità di Padova

Charles Darwin (1809 -1882)

“Non è la più forte delle specie che sopravvive, non la più intelligente, ma quella più adatta al cambiamento”L’ Origine delle Specie (1859)

La capacità di adattarsi all’utilizzo di nuovi alimenti ha giocato un ruolo cruciale nell’origine e nell’evoluzione della specie Homo sapiens sapiens

PASSATO

Circa 35 milioni di anni fa, Africa orientale:

ORIGINE DELL’EVOLUZIONE DELL’UOMO

Diminuzione dell'umidità e alternanze marcate delle stagioni Formazione della frattura tettonica lunga oltre 5 mila chilometri (Rift Valley) Drastica diminuzione della copertura arborea vantaggio di ambienti aperti tipo savana Ricerca di nuove fonti di cibo in ambienti aperti

Science, Oct 2, 2009

2 ottobre 2009:un nuovo antenatoè svelato

Come erano?

Cervello grande quanto quello dello chimpanzee

Bipedi imperfetti

Cambiamento nella dentizione: canini piccoli, molari larghi, smalto spesso e resistente

Diversa espressione dei geni del metabolismo delle proteine

FIGURE 1. Shear quality Comparisons of moderately worn premolar and molar crown surfaces of (a) an early hominin, Australopithecus afarensis (fossil AL266, dating to about 3.3 million years ago), and (b) a chimpanzee. Wear of thin enamel, as seen in the chimpanzee, quickly leads to sharp edges where the hard outer surface gives way to softer, underlying dentine. The hominin molar is flatter, with thicker enamel, and wear generally does not produce sharp edges. Chimpanzee teeth may be better suited to efficient shearing or grinding of softer, tougher foods than to crushing of hard, brittle items.

Da: Peter Ungar Materials science: Strong teeth, strong seedsNature 452: 703-705, 2008.

La dentatura dell’uomo e dei suoi antenati: ADATTA A MACINARE PIÙ CHE A TAGLIARE

Diversa espressione dei geni del metabolismo delle proteine:

Ciottoli oldowani

Prima evidenza di uso di strumenti di pietra per la preparazione di carcasse: Gona (Afar, Ethiopia), 2.6 milioni di anni fa’ – Domínguez-Rodrigo et al., J Hum Evol. 2005;48:109-21

I nostri progenitori avevano iniziato a mangiare la carne,Come?

Uso della stazione eretta per portarsi in salvo trasportando cibo in eccesso raccolto in ambiente aperto

Scimpanzè (P. troglodytes), Lago Vittoria, Uganda

Per gentile concessione del Prof. Renato Mariani-Costantini (2005)

Uso del fuoco documentato per Homo erectus 1.5 milioni di anni fa’ in Est Africa

Controllo del fuoco: un importante adattamento culturale

Homo erectus

Da Kottak, Physical Anthropology & Archaeology (McGraw-Hill, 2004, p. 203).

I grandi carnivori tendono ad avere ampia distribuzione. E’ il caso di H. erectus, grande cacciatore

Deriva genetica e differenziamento regionale

“ragazzo” di Nariokotome Kenya ~1.6 MYA

Homo floresiensis(“Hobbit”, molto piccolo)

Homo erectus(grandi dimensioni)

La documentazione fossile degli omininidi

in Africa in Africa e fuori

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Aumento della massa corporea ed encefalizzazione

Graphic from Getty Images

ASPM: un gene implicato nell’evoluzione del cervello

Sostituzioni non sinonime/sinonime

Orango Gorilla Scimpanzè Uomo

Aumento non-sinonime nella linea umana (P<0.03)

1.44

0.560.56

0.53

0.52

0.62

Profilo di scorrimento dN/dS lungo ASPM

Evans et al. (2004) Hum. Mol. Genet. 13, 489-494

ASPM codifica una proteina che controlla il numero dei neuroni

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Diminuzione tratto gastro-

intestinale

•Può essere paragonato a quello di altri primati (capuchin monkeys) che modificano il cibo con le mani.

Il cervello consuma molto e richiede una dieta ad alto contenuto energetico

• Per unità di peso, la richiesta energetica del cervello è 16 volte superiore a quella del muscolo

• In un essere umano adulto il cervello richiede il 20-25% del consumo energetico a riposo, rispetto all’8-10% in primati non umani e al 3-5% in altri mammiferi

• Nel neonato umano il cervello richiede l’80% dell’energia spesa a riposo

• Il metabolismo cerebrale è stabile e non puo’ essere diminuito per conservare risorse energetiche

Williams, M. F. Med Hypotheses 58: 284-90, 2002.Noback and Montagna, The Primate Brain. Meredith Corporation, New York, 1970

media: 1350 cc

media: 350 ccScimpanzè

Uomo attuale

L’espansione cerebrale ha richiesto un miglioramento della dieta per sostenere le richieste energetiche

Raccolta, consumo di carne da carogne, uso di scheggie taglienti e choppers di pietra

Caccia e raccolta, tecnologia litica

Cottura,diversificazione culturale della dieta

Alimentazione povera: estinzione

Aiello & Wheeler 1995

Adattamenti culturali/metabolici ed espansione cerebrale nel genere Homo

Miglioramento della dieta

- cooperazione nella caccia etecnologia litica

- cambiamento nella composizione della dieta:

• piu’ carne

combinata con• tecnologie di

preparazione del cibo• uso del fuoco (cibi piu’

digeribili, piu’ calorie disponibili rispetto a cibi crudi)

• condivisione del cibo

Metabolismo e composizione corporea

– aumento del grasso– riduzione masse muscolari

Benefici per l’espansione cerebrale:

– disponibilità di energia immagazzinata per sostenere il cervello

– riduzione dei costi energetici totali per il resto del corpo

(il muscolo è metabolicamente piu’ costoso del grasso)

La carne: energia e nutrienti

Midollo e cervello non mangiati dai predatori

Ossa con midollo e teste contenenti cervello spesso abbandonati nella savana

Placente facilmente disponibili durante il periodo delle nascite degli erbivori

livello piu’ alto di grasso corporeo nell’uomo

Per

cent

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asci

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Percentuale di grasso alla nascita in 15 specie

L’uomo – una specie “sottomuscolosa”

• Presenza di bassi livelli di muscolo scheletrico per un primate della sua taglia– Allo stesso peso

corporeo, l’uomo ha sistematicamente livelli di muscolo striato più bassi tra tutti i primati

• I primati sono tra i mammiferi meno muscolosi

Perché Homo sapiens non si è estinto? Ruolo della comunità e della tecnologia

Ottieni piu’ energia dal cibo di quella spesa per procacciarlo

Prioritizza le scelte alimentari in relazione al ritorno energetico

Percio’ grandi animali preferiti ai piccoli quando e dove possibile, preferenza per cibi di

origine animale rispetto a quelli di origine vegetale preferenza per le parti piu’ grasse degli animali

cacciati

Grande flessibilità per la combinazione di adattamenti genetici e culturali

Differenze geografiche, stagionali e dovute a cambiamenti climatici, come pure a fattori sociali

Teoria del procacciamento ottimale(”optimal foraging”)

Eaton SB, Melvin J. Konner MJ, ”Paleolithic nutrition” New England Journal of Medicine, 1985

In ambienti con risorse limitate e climacaldo, la staturaridotta è vantaggiosa perdispersione di calore, crescitapiu’ rapida e piu’ precoce maturitàsessuale, vantaggi chiave in presenzadi alta mortalità in giovani adulti

Migliano et al., PNAS 2007, 104: 20216-19

- Il fenotipo pigmeo - un rapido adattamento evolutivo

La rivoluzione neolitica: nutrizione, salute, evoluzione recente

incremento della densità di popolazione, stratificazione sociale, insediamenti fissi

aumento del carico di lavoro

domesticazione di animali (zoonosi e successivo sviluppo di nuove malattie umane)

L’evoluzione umana continua: il caso della lattasi

• Tutti i neonati esprimono la lattasi • In molte popolazioni l’attività di questo

enzima diminuisce dopo la pubertà, in altri persiste

LCT*P

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PRESENTE

La prevalenza nella società moderna di molte patologie croniche è la conseguenza di una differenza tra la dieta moderna e il tipo di dieta per la quale la nostra specie è programmata quale cacciatore-raccoglitore

Cosa non si mangiava nel paleolitico?

Cereali raffinati Zucchero (dopo1800) Cibi lavorati (dopo 1800) Porzioni abbondanti

Un esempio: i lipidi• Grassi di elevata

qualità– Tra il 10 e l’80 di

energia%

• Più acidi grassi polinsaturi a lunga catena C20-C22

• Ridotto rapporto n-6:n-3– 2:1 Paleolitico– 10:1 USA– 6-7:1 Norvegia– 3:1 ottimale

Fattori ambientali: ipernutrizione e ridotta attività fisica

Una sana alimentazione:

Assicura al nostro organismo tutti i nutrienti di cui ha bisogno

Aiuta a prevenire le malattie legate all’alimentazione

Istituto Nazionale della Nutrizione(http://www.inran.it)

LINEE-GUIDA PER UNA SANA ALIMENTAZIONE ITALIANA

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FUTURO

NUTRIGENOMICA

LA NUTRIGENOMICA STUDIA L’INTERAZIONE

DEI NUTRIENTI COL GENOMA UMANO

fenotipo

Interazione genoma/fattori ambientali

La SCIENZA DELLA NUTRIZIONE ha lo scopo di capire il ruolo dei nutrienti e di altri componenti della dieta nello stato di salute o malattia dell’uomo lungo tutto il ciclo di vita.

conoscenze di base (caratterizzazione dei nutrienti, biochimica e fisiologia del loro metabolismo, delle vie di segnale e del loro ruolo nell’omeostasi)

studio degli errori del metabolismo presenti fin dalla nascita

comprensione dei primi meccanismi di interazione gene-nutriente

Basi concettuali della ricerca in campo nutrigenomico

Sostanze chimiche comunemente presenti nella dieta agiscono sul genoma umano in modo diretto o indiretto, alterando l'espressione o la struttura di un gene.

In alcune condizioni ed in alcuni individui la dieta può rappresentare un serio fattore di rischio di alcune patologie.

Alcuni geni regolati attraverso la dieta (e le loro varianti comuni) possono svolgere un ruolo nell'inizio, nella progressione e/o nella gravità di patologie croniche.

L'entità dell'influenza esercitata dalla dieta nell'equilibrio tra stato di salute e malattia, può dipendere dalla predisposizione genetica individuale.

Interventi dietetici basati sulle conoscenze dei fabbisogni nutrizionali, dello stato nutrizionale e del genotipo, possono essere utilizzati per prevenire, migliorare o curare patologie croniche (nutrizione individualizzata).

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provoca rottura del cromosoma per incorporazione di uracile nel DNA (fino a milioni uracile/cellula).

Carenza in micronutrienti, danno al DNA e rimodulazione delle dosi raccomandate

Le carenze in micronutrienti sono in grado di spiegare perché circa ¼ della popolazione USA che consuma meno delle 5 porzioni raccomandate di frutta e verdura presenta una incidenza circa doppia di molti tipi di cancro, se confrontati con coloro che hanno intakes più alti.

Ad esempio una carenza delle vitamine B6,  B12, acido folico,  niacina, vit C, vit E,  rame e ferro

sembra mimare l’effetto di radiazioni nel danneggiamento del DNA, provocando interruzione del filamento, lesioni ossidative o entrambi

La carenza di folato

CONCLUSIONI

Variazioni genetiche individuali possono influenzare il modo con cui un nutriente può essere assimilato, metabolizzato, conservato ed escreto. La possibilità di comprendere le interazioni nutrienti-genoma consentirà quindi di: • sviluppare una dietetica personalizzata• influenzare le raccomandazioni dietetiche• definire le strategie di politica nutrizionale

Vi è qualcosa di grandioso in questa concezione della vita, con le sue diverse forze, originariamente impresse in poche forme o in una forma sola; e nel fatto che, mentre il nostro pianeta ha continuato a ruotare secondo l’immutabile legge della gravità, da un cosi’ semplice inizio innumerevoli forme, bellissime e meravigliose, si sono evolute e continuano ad evolversi.

On the origin of species by means of natural selection, or the preservation of favoured races in the struggle for life

London: John Murray, 1859.

Charles Robert Darwin Shrewsbury, 12 febbraio 1809 – Londra, 19 aprile 1882