Pienet hammaskiven viivat paljastavat aiemmin tuntemattoman biologisen rytmin. Jos tiedot vahvistetaan, tämä havainto auttaa tutkijoita ymmärtämään, miksi suuret eläimet kasvavat hitaammin ja elävät pidempään kuin pienemmät.
Viime vuoden kesänä Timothy Bromage, New Yorkin yliopiston paleontologi, ollessaan lomalla Kyproksessa, pureskeli lampaanlihaa. Yhtäkkiä hän kuuli iskun. Kun ääntä seurasi terävä kipu, hän tajusi rikkovan hampaan.
Palattuaan New Yorkiin hänen hammaslääkäri kertoi hänelle, että hänen tulisi joutua kärsimään kolmen kuukauden tuska, jos hän haluaa hampaan palauttamisen. "Tai anna minulle vain viisi minuuttia", lääkäri sanoi, "ja minä vedän sen nyt ulos."
Bromage-suositeltava deleetio. Siten hän pystyi tekemään ohuen osan hammasta, mitä hän oli halunnut tehdä usean vuoden ajan, mitatakseen uudenlaista biorytmiä, jota hän tutki nisäkkäiden pysyvissä hampaissa. Tämä ei ole hyvin tutkittu vuorokausirytmi, mutta pidempi, joka vaihtelee lajeittain ja kestää kahdesta päivästä kahteen viikkoon. Bromage uskoo, että tämä rytmi voi asettaa eläinten kasvuvauhdin ja niiden eliniän.
Rotilla biorytmi kestää yhden päivän; makakeissa - neljä, lampaissa - viisi, ihmisillä - kuudesta 12 vuorokauteen. Bromage vahvisti tämän suhteen kymmenissä muissa elävissä ja sukupuuttoon kuolleissa nisäkkäissä, mukaan lukien aasialaiset norsut, joiden biorytmi kestää 14 päivää. (On poikkeuksia: esimerkiksi koirat eivät osoita tätä suhdetta.)
Yleensä suurempien nisäkäslajien hitaampi rytmi on perusteltu: suuret eläimet kasvavat hitaammin kuin pienemmät eläimet viettäen pidempiä aikoja. Bromage uskoo, että hampaiden ja luiden rytmi heijastaa kasvusignaalia, joka stimuloi solunjakautumista, jonka kehon solut vastaanottavat tämän signaalin säännöllisin väliajoin. Mitä useammin tällaisia signaaleja vastaanotetaan, sitä nopeammin eläin kasvaa.
Rytminen aikaväli kasvaa paitsi kehon painon kanssa, Bromage havaitsi, että se kasvaa muiden ominaisuuksien kanssa, jotka kasvavat kehon painon mukana, esimerkiksi elinajanodote, imetyksen kesto, aineenvaihdunnan nopeus, estroosyklin kesto ja jopa munuaisten koko. Tämä viittaa siihen, että mittaamalla vain yhden hampaan kasvunopeus, vaikka se olisikin sukupuuttoon kuollut eläin, on mahdollista määritellä paitsi sen ruumiin koko myös monet muut sen ominaisuudet.
"Anna minulle kaikki hampaat, pysyvät kädellisten hampaat - heitä ne vain minulle, älä kerro minulle, mikä kädellinen se on - ja minä rekonstruoin, minkä kokoisilla sillä oli munuaiset, kuinka kauan se elää, kaikki nämä ominaisuudet", Bromage sanoo. "On uskomatonta, mitä ikkuna mahdollisuuksia tämä materiaali avaa elämän avaimen löytämiseen."
Mainosvideo:
Saatuaan arvostetun Max Planck Science -palkinnon kollegansa kanssa vuonna 2010, Bromage käytti 750 000 euroa tutkimukseen, jonka tarkoituksena oli selvittää, heijastavatko eläimen verinäytteet samaa rytmiä kuin hampaat. Tutkimus oli kallista ja aikaavievää myös siksi, että hiirillä ja rotilla (biologian halpoilla työhevosilla) ei ole monen päivän rytmiä, eikä niitä voida käyttää kokeellisina koehenkilöinä.
Hänen vuonna 2016 julkaistun tutkimuksensa tulokset eivät ole vielä riittävän vakaita tullakseen löytöksi. Monet kronobiologit suhtautuvat niihin skeptisesti.
Mutta”Entä jos hän on oikeassa?” Kysyy Boulderin Coloradon yliopiston antropologi-biologi Robin Bernstein, joka on tutkinut kehon koon kehitystä ja tutkii nyt ihmisten ja kädellisten kasvua. "Mielestäni hän on yksi niistä ihmisistä, jotka ovat aikaansa edellä", hän sanoo. "Ehkä täällä ei ole mitään erityistä, mutta se on omaperäinen, todella mielenkiintoinen ja uskon, että siinä voitaisiin tehdä paljon."
Hammasyhteydet
Bromage kiinnostui hampaista, kun hän oli jatko-opiskelija 1980-luvun puolivälissä. Tuolloin tiedemiehet tiesivät, että samoin kuin puut muodostavat vuosirenkaita, hampaan emaliin muodostuu päivittäisiä kasvuraitoja. Japanilaiset tutkijat löysivät ne 1930- ja 1940-luvulla koirien, rottien, sikojen ja makakkien hampaista.
Nisäkkäillä on myös näkyviä raitoja, nimeltään Retzius-raitoja. Varhaisissa hominideissä, joita Bromage tutki tuolloin, seitsemän päivittäistä bändiä erotti jokaisen Retzius-suvun. Kukaan ei tiennyt miten tai miksi ne muodostuivat, mutta Bromage pystyi käyttämään niitä merkkinä osoittamaan, että ensimmäiset pysyvät molaarit ilmestyivät varhaisissa hominideissä noin kolmen vuoden ikäisinä, kuten simpanssit, paljon aikaisemmin kuin nykyaikaiset ihmiset. Tämä tarkoitti, että varhaiset hominidit eivät olleet vain nykyaikaisten ihmisten pienoisversioita, kuten silloin uskottiin, vaan olivat lähempänä apinoita.
Vuonna 1991 Bromage vahvisti, että Retzius-linjat makakeissa erotettiin vain neljällä päivittäisellä kasvulinjalla, toisin kuin seitsemällä varhaisissa hominideissä. Sitten vuonna 2000 hän huomasi, että luilla on myös määräaikainen kasvu. Hän huomasi, että ramelit, nimeltään lamelleja, muodostuivat rottien luihin vain yhdessä päivässä. Kuinka tämä voisi olla mahdollista, jos ihmisen luut kasvavat paljon hitaammin kuin rottien luut?
"Se ei ole mennyt päästäni vuosien ajan", Bromage sanoo. Ja sitten eräänä päivänä vuonna 2008 hän lukei yhden opiskelijansa väitöskirjassa, että makakin luiden lamellit muodostuvat neljässä päivässä, toisin sanoen samalla tavalla kuin Retzius-linjat, jotka hän löysi makakkien hampaista vuonna 1991. "Tämä vuoden 1991 muisti tuli mieleeni heti, kun näin numeron neljä", hän muistelee. Voisiko se olla mahdollista, hän ihmetteli, että nisäkkäillä on samat kasvukaudet hampaissa ja luissa? Jos näin on, silloin ihmisen lamellien tulisi muodostua myös seitsemässä päivässä, mikä on paljon pidempi kuin rotilla, jolloin siihen tarvitaan vain yksi päivä.
Bromage kutsui tätä ajatusta "kokonaan uudeksi paradigmaksi". Siihen asti uskottiin, että hampaiden ja luiden kasvun välillä ei ollut yhteyttä; luita ei koskaan ajateltu kudoksena, joka kehittyy asteittain, mitattavissa vaiheissa, kuten hampaat ja puut. Mahdollinen yhteys hampaiden ja luiden kehitysasteen välillä oli niin perustavanlaatuinen, että en voinut kertoa kenellekään mitään viikon ajan”, Bromage sanoo jopa vaimolleen. Hän tarkisti luissaan ja hampaissaan esiintyvän histologisen rakenteen laboratoriossaan ja havaitsi, että hampaiden ja luiden kasvurytmit olivat samanlaisia makakeissa, lampaissa ja ihmisissä.
Aivojen rytmi
Jos romamat, joita Bromage näki nisäkkäiden hampaiden ja luiden kasvunauhoissa, olivat vastaus kasvusignaaliin, mistä tämä signaali voisi tulla? Bromage uskoo, että sen lähde on sama aivojen osa, joka, kuten jo tiedetään, asettaa vuorokausirytmän rytmihäiriön, ts. Hypotalamuksen. Loppujen lopuksi hänen tutkimiensa rytmihäiriöiden pituus on aina koko päivän monikerta, ja biologinen kello, kuten on jo todettu, vaikuttaa solunjakautumisnopeuteen. Hypotalamus kykenee suorittamaan tämän toiminnon, joten”miksi keksitään uusi, täysin uusi instrumentti?” - hänessä nousi kysymys. Joku, ehkä hypotalamukseen kertyvä aine, voi vaihdella biologista kelloa monipäiväisen jakson aikana. Kumpi aivojen osa on vastuussa tästä,”sen on tarkoitus vain laskea”, Bromage sanoo.
Hypotalamus tekee myös toisen työn: se säätelee aivolisäkettä, hormonia tuottavaa aivolisäkeä, jonka etuosa säätelee kehon kokoa ja jonka takaosa säätelee estroosyklin kestoa. Ehkä ei sattumalta, nämä ovat ainoat kaksi fysiologista ominaisuutta, jotka Bromage löysi, korreloivat suoraan uuden biorytmin keston kanssa.
Bromage alkoi testata teoriaansa. Jos aivoissa tuotettu signaali säätelee kasvunopeutta, Bromage spekuloi, veressä on oltava jälkiä tästä signaalista.
Bromage vietti kaksi viikkoa kerätäkseen kuusi millilitraa verinäytteitä sioista. Sitten hän luovutti 1 700 näytettä, jotka hän oli kerännyt 33 sikasta, riippumattomalle laboratoriolle tunnistamaan 995 erilaista metaboliittia, kehon tuottamia biokemiallisia aineita.
Kuluttuaan 300 tuhatta dollaria, hän sai vastauksen: 159: stä keskittyneimmästä metaboliitista, joilla on tietty biologinen funktio, 108 heijasti vuorokausirytmiä. Seuraava yleisin rytmi oli sama viiden päivän rytmi, jonka Bromage tunnisti sikojen hampaissa ja luissa. Vain 55 159-metaboliitista kulki tämän syklin läpi, ja vain 20: ssä sykli vastasi muita rytmejä.
Yllätyksekseen Bromage tunnisti kaksi viiden päivän jaksoa kolmen päivän välein. Ensimmäinen sisälsi kasvuun liittyviä metaboliitteja ja toinen - metaboliitteja, jotka muodostuivat biologisten molekyylien hajoamisen aikana. Tämä oli järkevää: kun kasvu on ohi, metaboliitit on hajotettava, jotta ne olisivat prosessoitavissa seuraavassa kasvusyklissä. Mikä hienoksi suunniteltu järjestelmä, Bromage ajatteli. En olisi koskaan uskonut sitä, jos en olisi nähnyt sitä omin silmin!
Hän nimitti uuden biorytmin "Havers-Halbergin värähtelyt". Nimi annetaan Clopton Haversin kunniaksi, joka kuvaa 1700-luvun lopulla ensin luiden lamelleja ja mitä kutsutaan myöhemmin Retzius-raidoiksi; ja kronobiologi Franz Halberg, joka kuoli vuonna 2013 93-vuotiaana.
Sikaongelma
Kun katsomme taaksepäin, ymmärrämme, että rytmin nimeäminen Halbergin jälkeen ei ollut viisain päätös.
Chronobiologeista on tullut erittäin skeptisiä monipäiväisten rytmihäiriöiden löytämisen suhteen, kertoo Boisen yliopiston fysiologi Roberto Refinetti, joka on kirjoittanut vuorokausipäivän fysiologiaa käsittelevän oppikirjan. Ja olemme tästä paljon velkaa Halbergille. Hän esitteli "vuorokausipäivän" käsitteen. Hän ilmoitti kuitenkin tulevaisuudessa pidempien rytmien löytämisestä esittämättä merkittäviä todisteita. "Hän oli todella, kuten hän halusi sanoa, laaja-alainen mies", Refinetti sanoi. "Jotkut ajattelivat hänen olevan jopa rajojen ulkopuolella."
Refinetti itse yritti (ja epäonnistui) tunnistaa hevosten verenpaineen ja maitohappopitoisuuden viikottain rytmin. Hän uskoo, että Bromagen viiden päivän rytmi sioissa voi olla seurausta ihmisen työviikosta, joka on suhteellisen uusi sosiaalinen keksintö. Lisäksi hänen mukaansa mikään ympäristö ei olisi voinut olla ennakkoedellytys viikkorytmin kehittymiselle miljoonien vuosien ajan. Kontrasti tämän kanssa vuorokausirytmillä, joka ilmeisesti syntyi reaktiona päivän ja yön muutokselle.
Bromage vastasi, että hänen todennäköisesti tunnistamaansa rytmiä ei voinut aiheuttaa työviikko, koska sikoja pidettiin jatkuvasti vakio-olosuhteissa. Lisäksi, jos Bromagen teoria on oikea, niin näiden rytmien ei tarvitse kehittää monen päivän ulkoista signaalia, koska ne perustuvat päivittäisiin tunteihin, jotka voidaan laskea. Hän lisäsi, että Refinetti ei todennäköisesti mitannut viikkojen rytmiä hevosissa, koska hän ei mitannut koko kasvuun liittyvää kompleksia.
Halbergin tietoja kritisoidessaan Bromage sanoi nimittäneensä rytmin hänen puolestaan, koska hän "puolusti pitkäaikaisia rytmejä, kun kukaan muu maan päällä ei ajatellut sitä". Mutta se, Bromage sanoo, ei tarkoita "Olen samaa mieltä kaikista hänen lausunnoistaan".
Ehkä on vaikeampaa väittää, että Bromagen tietojen mukaan olisi tilastoja. Kustannusten ja monimutkaisuuden takia kokeilu oli suoritettava lyhyemmässä ajassa kuin Bromage toivoi. Koska jaksoja oli liian vähän, hän ei pystynyt tilastollisesti objektiivisesti tarkistamaan rytmejä. Sen sijaan tilanne sai hänet olemaan viiden päivän rytmi ja tarkistamaan sitten, onko kyseinen oletus tilastollisesti merkityksellinen. Jos väität viiden päivän jakson, sinun on mitattava useita jaksoja, jotta sinulla on tilastollinen perusta, sanoo Memphiksen yliopiston kronobiologi Andrew Liu.
Bromage suostui siihen, että kokeilulla oli omat puutteensa. "Nopeutimme sen todella", hän sanoo. Sikojen veren mittaus olisi vaikeaa pidemmällä ajanjaksolla: eläimet saivat enemmän stressiä ja tutkimuksen lopulla heillä alkoi kehittyä infektioita. "Se oli täysin uusi kokemus kaikille, joten se ei ollut täydellinen ja opimme paljon", Bromage sanoo.
Tarkempien tietojen saamiseksi hän aikoo sisällyttää seuraavaan tutkimukseensa enemmän sykliä, jonka aikana hän mittaa verta reesusapinoilla (heidän rytmi on neljä päivää) kuukauden ajan. Makkakit ovat tottuneet verinäytteisiin, hän lisäsi. Tutkijat ottavat verinäytteitä eläimistä, joilla ei ole stressiä koskevia ongelmia, kuten sioilla.
Bromage huomautti, että siitä riippumatta hän tunnisti viiden päivän rytmin toisessa sian veressä kiertävässä molekyylityypissä: pienillä RNA: lla ja useimmilla viiden vuorokauden jaksolla on myös kasvuun liittyvä biologinen toiminto. Hän ei usko, että tämä löytö on sattumaa. "Mahdollisuus, että tämä voisi tapahtua, on tähtitieteellisesti pieni", hän sanoo.
Kaksipäiväinen rotta
Verikokeet eivät ole ainoa tapa, jolla tutkijat voivat seurata rytmihäiriöitä. Memphisin yliopistosta tuleva Liu sanoo, että jos hänellä olisi rahaa, hän olisi kiinnostunut määrittämään suuren päivän elämän usean päivän rytmi päivittäisen reportterigeenin avulla. Nämä geenit laukaisevat vuorokausirytmi ja tuottavat molekyylin, jonka biologit voivat mitata erittäin tarkasti reaaliajassa. Tällaisen geenin yhteys eläimen hypotalamukseen saattaa paljastaa, että vuorokausirytmi vaihtelee jotenkin monipäivän aikataulun mukaan”, Liu sanoo. "Se on toteutettavissa," hän sanoo, "ja erittäin mielenkiintoista."
Vaikka metaboliittien rytmi vahvistetaan, Liu ja muut tutkijat väittävät, tämä ei kuitenkaan tarkoita hänen olevan vastuussa kehon koosta. Pikemminkin se voi heijastaa vain erilaisia kasvunopeuksia erikokoisissa eläimissä. Kuten Liu selitti, "syy siihen, että merkitset veressä jotain rytmiä, joka ei välttämättä tarkoita".
Bromage suostui. "Tämä on vain hypoteesi," hän sanoi. "Se voidaan testata kokeellisesti." Tätä varten hän haluaa altistaa kasvaneet solut jakaen kerran päivässä biologisille tekijöille, jotka voivat muuttaa vuorokausirytmin monipäiviseksi rytmiksi. Kun tämä toimii, hän sanoo, tutkijat näkevät, voivatko he muuttaa "kokonaisen rotta kahden päivän ikäiseksi eläimeksi".
Andreas von Bubnoff