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淀粉酶——所谓“主食”的迷局

但是,人不都有淀粉酶吗?这不就是为了消化植物中的淀粉的吗?

首先,淀粉酶虽然名字叫“淀粉”酶,但其实是分解“由葡萄糖形成的、以α-1,4糖苷键为主要连接方式的多聚糖”的(可简称为“α葡聚糖”)——这不仅包括植物中的直链淀粉支链淀粉(其中还有淀粉酶不能水解的α-1,6糖苷键),还包括动物组织(主要是肌肉和肝脏)中的糖原(结构上类似于植物中的支链淀粉,但是分子量要小得多)——或者说“动物淀粉”。

淀粉酶水解α葡聚糖的产物有:麦芽糖、异麦芽糖、少量的葡萄糖、直链寡糖、支链寡糖。

其次,淀粉酶广泛分布于植物、动物、细菌、真菌中,尤其是:所有的脊椎动物都有淀粉酶——无论是鲨鱼、鳄鱼、老鹰还是老虎……

淀粉酶跟食性毫不相关……

唾液淀粉酶

有相关性的其实是“唾液淀粉酶”——所有脊椎动物的胰腺都能分泌淀粉酶,但只有一部分哺乳动物的唾液腺也能分泌淀粉酶——一些灵长目、啮齿目、兔形目、翼手目。

于是,人类、猩猩、猴子、老鼠、蝙蝠,都是少数有唾液淀粉酶的……

唾液中有淀粉酶,于是在咀嚼时就可以开始分解“淀粉”(α葡聚糖),从而能让我们尝出丝丝甜味——主要来自于分解而来的麦芽糖。

但以前往往认为,相对于小肠中的胰淀粉酶,唾液淀粉酶在“淀粉”的消化过程中并不那么重要——主要因为其与食物的接触时间过短——随食物下到胃里后,身为蛋白质的它们应该就没戏了。

而后来的研究发现,唾液淀粉酶其实可以随着食物大量地、完好地通过胃部,从而在小肠内继续消化淀粉——α葡聚糖(“淀粉”)和寡聚糖可以在胃部环境(高酸性,加上胃蛋白酶)中,保护唾液淀粉酶不被降解——因此唾液淀粉酶确实可以有效强化我们消化α葡聚糖的能力。

实验发现:如果给小肠直接输入淀粉,而非先经过口腔的洗礼(从而带着唾液淀粉酶),那么淀粉的消化率(和血糖上升率)会明显下降。

虽然动物的肌肉和肝脏中有α葡聚糖(“动物淀粉”),但量不会太大,只需要胰腺淀粉酶本身就足以应付。

而植物的根茎、未成熟的果实、种子的胚乳中,往往都塞满了α葡聚糖——这些淀粉富矿似乎总会超出胰淀粉酶的消化能力,因此需要唾液淀粉酶来助阵……

于是,多数灵长目(除了新世界猴)都有唾液淀粉酶——在缺少优质食物的时候,它们偶尔也会屈就一下,挖掘根茎,少量啃食没熟的果实(往往有大量的毒素,尤其是植物凝集素)

基因拷贝数

也因此,编码唾液淀粉酶的基因(AMY1)很古老,在猩猩和猴子分化之前就已存在——至少也有两千万年的历史。

AMY1位于1号染色体上,应该是由胰腺淀粉酶基因(AMY2)复制而来——穿插了少量涉及组织定位的基因片段。

但如果淀粉类只是“后备食物”,那么也不需要太多唾液淀粉酶——比如野生黑猩猩,其唾液中淀粉酶的水平就很低;相应的,其基因组中AMY1的基因拷贝数只有2个——AMY1的基因拷贝数与唾液中的淀粉酶水平正相关

运动也可以增加唾液中的淀粉酶水平。

其他灵长类里:倭猩猩的AMY1基因拷贝数比黑猩猩的高一些,而猕猴亚科(比如狒狒、猕猴、白尾猴)的AMY1拷贝数甚至能超过10……

猩猩基本上只能吃熟了的果实,而许多猴子却能吃没熟的果实——它们能更好地解毒其中的凝集素,也能更多地消化其中的淀粉——凭借更高的唾液淀粉酶水平。

那么人类呢?

人类的AMY1基因拷贝数,在2~16不等(也有极少数甚至可以达到20……)——也就是说,少的还保持在黑猩猩的水平,多的甚至能超越猕猴了……这是人类基因组中拷贝数变化最大的基因之一……

所以,唾液淀粉酶的多少并非人类的共同属性,而是有着极大的人群差异。

那么从何时开始,人类在AMY1基因的拷贝数上变得如此千差万别呢?

AMY1拷贝数的分化

根据人类基因组中唾液淀粉酶基因拷贝之间(在核苷酸序列上)的高度一致性推测:人类唾液淀粉酶基因拷贝数的增加,是在最近20万年之内发生的——即在人类已经完成进化,智人已经出现之后。

所以,唾液淀粉酶是多是少,与“人之所以为人”毫无关系——AMY1拷贝数(无论是2还是20)与脑容量之间没有相关性

那这种变化说明了什么呢?

可以想见:AMY1拷贝数越多,唾液淀粉酶的水平越高,消化淀粉的能力越强,越能适应淀粉含量高的饮食环境,比如干旱地区、农业社会;而在雨林、高纬度地区、游牧社会中,更多的唾液淀粉酶并没有优势,因此不会被正向选择。于是:AMY1拷贝数与饮食中的淀粉比例正相关

相比于低淀粉饮食的人群(比如Biaka人、Mbuti人、Datog人、Yakut人),高淀粉饮食的人群(比如欧美人、东亚人、哈扎人)一般有更多的AMY1拷贝——后者中有70%的人至少有6份AMY1,前者中则只有37%。

所以,AMY1基因拷贝数在差异度上的增加,反映了不同人群在“是否吃植物淀粉”的问题上分歧的扩大——有部分人类吃的淀粉越来越多,甚至有的以之为主食了。

火与淀粉

这种分化,应该还与自主生火技术的出现有关。

植物组织中的淀粉,多数都紧密排列在“淀粉颗粒”中,呈有序、致密的晶体结构(靠氢键相互结合),不溶于水,无法被唾液淀粉酶水解,很难被消化——因此,这些“生淀粉”往往被称为“抗性淀粉”。

抗性淀粉无法被小肠消化,会进入结肠被其中的细菌发酵;但因为人类结肠的发酵能力有限(见前文《人类消化道》),如果每天摄入超过40g抗性淀粉,就很可能会引起胀气、拉肚子。

另外,植物中还有α淀粉酶抑制蛋白,会抑制淀粉酶活性,进一步阻碍人体消化淀粉……

而只有经过加热,淀粉颗粒的晶体结构才会解体,淀粉由此“糊化”成黏性物质,才好被淀粉酶水解;另外,加热还可以在相当程度上解决掉植物中的α淀粉酶抑制蛋白。

用土豆、红薯、木薯、山药做的淀粉水解实验发现:

未加热时:土豆淀粉的水解率是0.9~9.8%(小土豆品种的高一些),山药淀粉3.9%,红薯的16.8~24.5%,只有木薯的达到了36.2%(然而木薯生吃是有剧毒的)

加热糊化后:土豆淀粉的水解率是53.3~67.4%,木薯的60.6%,山药61.6%,最高的为红薯的:66.3~74.9%。

所以,植物淀粉能正式进入人类的食谱(而非只是“后备食物”),很可能是在用火普及之后——即12万年前之后(见前文《盗火记》),这也符合关于AMY1基因拷贝数增加的时间预测——最近20万年内。

但除了根茎,不还有果实也富含淀粉吗?果实不是可以生吃吗?

植物果实在未成熟之前确实富含淀粉,但是没熟的果实也富含植物凝集素和各种天然杀虫剂,对人类是有毒的——只有一部分猴子才能解那样的毒,从而能(适量)生吃没熟的果实。

当然,也有一种果实,在收成之后也还富含淀粉,且毒性不高——香蕉和大蕉(plaintain)。(眼前浮现起黑猩猩剥香蕉的画面……)

香蕉刚采摘下来之后,还没有真正熟成,淀粉含量很高(可达碳水化合物总量的70~80%),但是这些仍然是“抗性淀粉”(比例可达淀粉总量的75~84%),在不加热的情况下仍然无法被人类的小肠消化——在完全熟成后,绝大多数淀粉才会转化为容易消化吸收的糖——此时淀粉含量往往只剩下1%——此时才真正适合人类生吃。

而淀粉含量更高的大蕉,即使在完全熟成后淀粉含量仍高达25%,但它们都是要经过加热才被人食用的——且即使经过加热,其中仍有约一半的淀粉难以被人类消化。

更何况:非洲并非香蕉的原产地——大约2500~5000年前,也就是农业出现之后,香蕉才从东南亚被引进到非洲——所以原始人类和黑猩猩们一直以来都是没见过香蕉的……

而原产非洲的芭蕉科植物是埃塞俄比亚蕉(Ensete ventricosum),又名“伪蕉”,其果实是不能食用的,人们主要吃的——是其根茎……

怎样算适应?

但现在毕竟有这么多的人有这么多的AMY1基因拷贝,至少说明他们适应了植物淀粉吧?

要明白的是:基因拷贝数的变化,并非基因的变化,而只是“基因表达”的变化——即只是某基因在表达水平上的高或低,而不是本身的有或无(或者核苷酸关键序列的变与否)。

和基因不同,基因拷贝数非常容易变化——无论是产生生殖细胞(精子、卵子)还是体细胞的过程,只要发生了细胞分裂,都可能出现基因拷贝数的变化——双胞胎之间,甚至同一个人的不同器官组织之间的基因拷贝数都可能不一样……

如此,当饮食中植物淀粉的比例增加时,人们能相对轻松、迅速地通过增加AMY1基因的拷贝数,来强化AMY1基因的表达,提高唾液中的淀粉酶水平,从饮食中获得更多的热量,从而获得更高的生存优势——尤其是在饮食严重依赖淀粉类的农业文明中,这更成了一种积极的正向选择。

由此而来的“适应”却也只是表面的,或者说初级的……

比如:人类仍然无法尝出”淀粉“的味道——无法溶解、也没有挥发性的生淀粉,无法刺激人体的味觉感受器(生嚼下面粉、大米之类的就能理解……);我们熟悉的“主食味”,其实是经过加热、从而糊化的淀粉在口腔内的“黏滞”感,加上被分解来的一点麦芽糖的甜味——相比之下,有试验发现:大鼠应该有直接的”淀粉味觉“。

大鼠消化生淀粉的能力远高于人类,即使是(对人类来说消化率不到10%的)土豆淀粉,也能消化57%——赶上了人类用火的水平——同样是所谓的“杂食动物”,这就是以肉为主食和以素为主食的差距……

还有:唾液淀粉酶越高,患龋齿的风险越高——在牙釉质表面的牙菌膜中,有些细菌会“挟持”唾液淀粉酶,从而水解附近的淀粉,直接获得营养——这会增加牙齿表层的酸性,促进龋齿发生——恰恰:人类的龋齿发生率在农业出现之后大幅上升……

试验发现,相比于只有蔗糖,蔗糖和淀粉的组合能够产生出更厚、酸性更高的牙菌膜。

更不用说其他那些,心血管疾病、糖尿病、阿兹海默症的问题了……

只说“适应”,其实太笼统——我们对某种食物的“适应”,有先后之分,程度不同:

首先,是解决“首要问题”,一般就是“从中提取更多热量”——这可以说是生存的第一要务,其他问题都可以“以后再说”;

其次,是能更好地应对其中的各种毒素,还有这种食物给身体带来的其他代谢问题;

最后,才是在基因层面上全面适应了该食物,甚至长期吃不上还会出现问题……

最近10万年来,尤其是农业革命之后,由于食谱的剧烈变换,某些人群中的确出现了一些“适应性”的基因型,但那些变化都没有让他们变成另一个物种,往往都只是“初级适应”——“先解决首要问题再说”。

比如:在长期吃奶制品的欧洲地区,有相当一部分人的乳糖酶基因发生变化,从而能在成年后继续分泌乳糖酶,这保证了他们能从牛奶中获得更多热量(“首要问题”),但仍不保证他们能很好地应对其中的酪蛋白对肠壁的损害,和乳清蛋白对内分泌的扰乱(“次要问题”)。

同样:一个人有更多的AMY1基因拷贝,使他能够从植物淀粉中提取更多热量(“生死事大”),但仍不保证他不会得龋齿,出现其他各种代谢性问题(“健康事小”)……

伴随着农业,还有两种基因的频率上升,一个是血管紧张素转化酶(ACE),一个是载脂蛋白B,两者都可以帮助农业饮食者更好地适应高淀粉带来的心血管问题——由此,在农业历史最长(6000年)的地区(地中海附近),心脏病发病率最低;而在刚进入农业不久(2000年)的地区,心脏病发病率最高——但只凭这两种基因,仍然远不能帮助人们免疫农工业饮食带来的大多数问题。

在人口密度高、肉食资源紧缺、素食历史悠久的地区(主要是印度),甚至还有一些人出现了基因“适应”(FADS2基因中一段22个碱基对的增删片段rs66698963,初步估计,该基因型在印度人群中的出现比例为70%,非洲为53%,东亚为29%,欧洲为17%),让他们能将植物中的ω-3和ω-6脂肪酸,即人本来不大需要、过多摄入还有害的ALA和LA,更多地转化为人体真正需要的DHA和AA,从而保证了其大脑不会由于吃不上肉而明显退化——但研究发现,这种基因也会让身体产生更多促炎性的脂肪氧化产物,并与哮喘有相关性,或许还会增加心脏病和结肠癌风险——所以,这种所谓的“素食基因”仍然只是一种“初级适应”,即先解决首要问题”(DHA和AA匮乏),其他问题“以后再说”……

乳糖酶和唾液淀粉酶,都是人类在适应饮食剧烈变换的过程中临时开发出来的“工具”(和火一样,只是处于身体内部而已),而非“角色标识”“身份象征”——只是得到一个扳手,并不因此就成了水管工…… 

同样,体内有乙醇脱氢酶和乙醛脱氢酶,也绝不代表一个人就“适合饮酒”……

与其说拥有更多AMY1基因拷贝的人“更适合”,不如说他们“更能”吃植物淀粉——这种能力还是有代价的。

只是得到更多的唾液淀粉酶,并不因此就成了大鼠……

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