Drobne črte na zobni sklenini razkrivajo prej neznani biološki ritem. Če bodo podatki potrjeni, bo ta ugotovitev pomagala raziskovalcem razumeti, zakaj večje živali rastejo počasneje in živijo dlje kot manjše.
Lani poleti je Timothy Bromage, paleontolog na newyorški univerzi, med počitnicami na Cipru žvečil jagnječje kotlete. Nenadoma je zaslišal škripanje. Ko je zvoku sledila ostra bolečina, je ugotovil, da si je zlomil zob.
Ko se je vrnil v New York, mu je zobozdravnik rekel, da bo moral trpeti tri mesece agonije, če bo hotel obnoviti zob. "Ali pa mi dajte samo pet minut," je rekel zdravnik, "in takoj ga bom izvlekel."
Bromage je zaželeno brisanje. Tako je lahko naredil tanek odsek zoba, kar je želel narediti že nekaj let, da bi lahko izmeril novo vrsto bioritma, ki ga je proučeval pri stalnih zobeh sesalcev. To ni dobro proučen cirkadijski bioritem, ampak daljši, od vrste do vrste, ki traja od dva dni do dveh tednov. Bromage verjame, da lahko ta ritem nastavi hitrost rasti živali in njihovo življenjsko dobo.
Pri podganah bioritem traja en dan; pri makakah - štiri, pri ovcah - pet, pri ljudeh - od šest do 12 dni. Bromage je to razmerje potrdil pri več deset drugih živih in izumrlih sesalcev, vključno z azijskimi sloni, ki imajo bioritem, ki traja 14 dni. (Obstajajo izjeme: psi na primer ne kažejo tega odnosa.)
Na splošno je upravičen počasnejši ritem pri večjih vrstah sesalcev: velike živali rastejo počasneje kot manjše živali in preživijo daljše obdobje. Bromage meni, da ritem zob in kosti odraža rastni signal, ki spodbuja hitrost delitve celic, ki celice telesa ta signal prejemajo v rednih presledkih. Čim pogosteje se sprejemajo takšni signali, hitreje raste žival.
Ritmični interval se ne povečuje samo s telesno težo, Bromage je ugotovil, da se povečuje z drugimi značilnostmi, ki se povečujejo skupaj s telesno težo, na primer s pričakovano življenjsko dobo, trajanjem dojenja, hitrostjo metabolizma, trajanjem katastrofalnega cikla in celo z velikostjo ledvic. To kaže, da bo mogoče z merjenjem stopnje rasti le enega zoba, tudi če gre za izumrlo žival, ugotoviti ne le velikost njegovega telesa, temveč tudi številne druge njegove lastnosti.
"Dajte mi kateri koli zob, kateri koli trajni zob primata - samo vrzite mi ga, ne povejte mi, kakšen je primat - in rekonstruiral bom, kakšne velikosti je imel ledvice, koliko časa je živel, vse te lastnosti," pravi Bromage. "Neverjetno je, kakšno priložnost se ta material odpira za iskanje ključa za življenje."
Promocijski video:
Potem ko je leta 2010 s sodelavcem prejel prestižno nagrado Max Planck Science Award, je Bromage za raziskave porabil 750.000 evrov, da bi ugotovil, ali vzorci krvi živali odražajo enake ritme kot zobje. Raziskava je bila draga in dolgotrajna, tudi ker miši in podgane (poceni biološke konjičke) nimajo večdnevnega ritma in jih ni mogoče uporabiti kot eksperimentalne predmete.
Rezultati njegove raziskave, objavljene leta 2016, še niso dovolj trdni, da bi lahko postali odkritje. Mnogi kronobiologi so do njih skeptični.
Toda "Kaj pa, če je navsezadnje pravi?" Vpraša Robina Bernsteina, biologa antropologa na univerzi v Koloradu v Boulderju, ki je preučeval evolucijo telesne velikosti in zdaj preučuje rast človeških in nečloveških primatov. "Po mojem mnenju je eden tistih ljudi, ki so pred svojim časom," pravi. "Mogoče tukaj ni nič posebnega, je pa izvirno, res zanimivo in mislim, da bi se dalo marsikaj storiti."
Zobne povezave
Bromage se je začel zanimati za zobe, ko je sredi osemdesetih let diplomiral. Takrat so znanstveniki vedeli, da tako kot drevesa tvorijo letne obroče, se na zobni sklenini oblikujejo vsakodnevne rasti. Japonski znanstveniki so jih v tridesetih in štiridesetih letih prejšnjega stoletja odkrili na zobeh psov, podgan, prašičev in makakov.
Sesalci imajo tudi vidne črte, imenovane trakovi Retzius. V zgodnjih hominidih, ki jih je takrat proučeval Bromage, je sedem dnevnih pasov ločevalo vsako linijo Retziusa. Nihče ni vedel, kako ali zakaj nastanejo, toda Bromage jih je znal uporabiti kot marker, s katerim so pokazali, da so se prvi trajni molarji pojavili pri zgodnjih hominidih okoli tretjega leta starosti, kot šimpanzi, veliko prej kot sodobni ljudje. To je pomenilo, da zgodnji hominidi niso le miniaturne različice sodobnega človeka, kot se je tedaj verjelo, ampak so bili bližje opicam.
Leta 1991 je Bromage potrdil, da so bile Retziusove linije v makakah ločene le s štirimi dnevnimi linijami rasti, v nasprotju s sedmimi v zgodnjih hominidih. Nato je leta 2000 spoznal, da imajo tudi kosti vzorec periodične rasti. Ugotovil je, da so se črte, imenovane lamele, oblikovale na kosti podgan v samo enem dnevu. Kako je to mogoče, če človeške kosti rastejo veliko počasneje kot kosti podgane?
"Že leta mi ne gre iz glave," pravi Bromage. In potem je nekega dne leta 2008 v disertaciji enega od svojih študentov prebral, da se lamele v kosteh makakov oblikujejo v štirih dneh, torej na enak način kot Retziusove črte, ki jih je leta 1991 našel v zobeh makakov. "Ta spomin iz leta 1991 mi je prišel v misel že drugič, ko sem videl številko štiri," se spominja. Ali je mogoče, se sprašuje, da imajo sesalci enaka obdobja rasti zob in kosti? V tem primeru bi se morale lamele pri ljudeh oblikovati tudi v sedmih dneh, kar je veliko dlje kot pri podganah, za to pa traja le en dan.
Bromage je to idejo poimenoval "povsem nova paradigma." Do takrat je veljalo, da ni povezave med tem, kako rastejo zobje in kosti; kosti nikoli niso obravnavali kot tkivo, ki se razvija v postopnih, merljivih fazah, kot so zobje in drevesa. Vsaka možna povezava med stopnjo razvitosti zob in kosti je bila tako temeljna, da tednom dni nikomur nisem mogel ničesar povedati, "pravi Bromage celo svoji ženi. V svojem laboratoriju je pregledal histološko zgradbo kosti in zob ter ugotovil, da ritmi rasti zob in kosti sovpadajo pri makakah, ovcah in ljudeh.
Ritem možganov
Če so bili ritmi, ki jih je Bromage videl v rastnih pasovih zob in kosti sesalcev, odziv na rastni signal, od kod bi ta signal lahko prišel? Bromage meni, da je njegov vir isti del možganov, ki, kot je že znano, postavlja cirkadijski bioritem, torej hipotalamus. Navsezadnje je dolžina bioritmov, ki jih je preučeval, vedno večkrat cel dan, biološka ura pa, kot je že bilo ugotovljeno, vpliva na hitrost delitve celic. Hipotalamus je sposoben opravljati to funkcijo, zato "zakaj bi izumil drug, popolnoma nov instrument?" - v njem se je postavilo vprašanje. Nekaj, morda snov, ki se kopiči v hipotalamusu, lahko v večdnevnem ciklu spreminja biološko uro. Ne glede na to, kateri del možganov je odgovoren za to, "je mišljeno le štetje," pravi Bromage.
Hipotalamus opravlja tudi drugo delo: uravnava hipofizo, hipofizo, ki proizvaja hormone, katere sprednji del uravnava telesno velikost, zadnji del pa uravnava trajanje evolucijskega cikla. Morda ni naključno, to sta edini dve fiziološki značilnosti, ki sta jih odkrila Bromage, neposredno povezana s trajanjem novega bioritma.
Bromage je začel preizkušati svojo teorijo. Če signal, ustvarjen v možganih, uravnava hitrost rasti, je razmišljal Bromage, potem mora kri imeti sledove tega signala.
Bromage je preživel dva tedna in pri prašičih zbral šest mililitrov vzorcev krvi. Nato je neodvisnemu laboratoriju predal 1.700 vzorcev, ki jih je zbral od 33 prašičev, da bi ugotovil 995 različnih presnovkov, biokemičnih snovi, ki jih telo proizvaja.
Potem ko je porabil 300 tisoč dolarjev, je prejel odgovor: od 159 najbolj koncentriranih metabolitov z določeno biološko funkcijo jih 108 odraža cirkadiani ritem. Naslednji najpogostejši ritem je bil isti petdnevni ritem, ki ga je Bromage identificiral v zob in kosti prašičev. Le 55 od 159 metabolitov je prešlo skozi ta cikel, in le pri 20 se je cikel sovpadal z drugimi ritmi.
Na svoje presenečenje je Bromage v treh dneh ločil dva petdnevna cikla. Prvi je vseboval presnovke, povezane z rastjo, in drugi - presnovke, ki so nastali med razpadom bioloških molekul. To je bilo smiselno: ko se rast konča, se morajo presnovki razgraditi, da bodo lahko v naslednjem rastnem ciklu na voljo za predelavo. Kakšen izvrstno zasnovan sistem, si je mislil Bromage, nikoli ne bi verjel, če ga ne bi videl na lastne oči!
Novi bioritem je poimenoval "Havers-Halbergova nihanja". Ime je dano v čast Cloptonu Haversu, ki je v poznem 17. stoletju prvič opisal kostne lamele in tisto, kar bi pozneje postalo znano kot trakovi Retzius; in Franz Halberg, kronobiolog, ki je leta 2013 umrl v starosti 93 let.
Problem s prašiči
Če pogledamo nazaj, se zavedamo, da poimenovanje ritma po Halbergu ni bila najbolj pametna odločitev.
Kronobiologi so postali zelo skeptični do odkritja večdnevnih bioritmov, pravi Roberto Refinetti, fiziolog z univerze v Boiseu in avtor učbenika o cirkadiani fiziologiji. In za to veliko dolgujemo Halbergu. Predstavil je sam koncept "cirkadiana". Vendar je v prihodnosti napovedal odkritje daljših ritmov, ne da bi predstavil bistvene dokaze. "Bil je resnično, kot je rad rekel, širokokrven človek," je dejal Refinetti. "Nekateri so mislili, da je celo zunaj meja."
Tudi sam Refinetti je poskušal (in ni uspel) določiti tedenskega ritma krvnega tlaka in koncentracije mlečne kisline pri konjih. Verjame, da je Bromageov petdnevni ritem pri prašičih lahko rezultat človeškega delovnega tedna, sorazmerno nov družbeni izum. Še več, pravi, nič v okolju ne bi moglo biti predpogoj za razvoj tedenskega ritma v milijonih let. To primerjajte s cirkadijanskim ritmom, ki je očitno nastal kot reakcija na spremembo dneva in noči.
Bromage je odgovoril, da ritmov, ki jih je opredelil, najverjetneje ne more povzročiti delovni teden, saj so prašiče ves čas gojili v stalnih pogojih. Poleg tega, če je Bromageova teorija pravilna, potem ti ritmi ne bi potrebovali večdnevnega zunanjega signala, da bi se razvili, saj temeljijo na dnevnih urah, ki jih je mogoče prešteti. Refinetti je dodal, da verjetno ni meril tedenskega ritma pri konjih, ker ni meril celotnega kompleksa, povezanega z rastjo.
V zvezi s kritiko Halbergovih podatkov je Bromage dejal, da je poimenoval ritem po njem, ker se je "zavzemal za dolgoročne ritme, ko nihče drug na zemlji ni razmišljal o tem". Toda to, pravi Bromage, ne pomeni, "da se strinjam z vsemi njegovimi izjavami."
Težje je mogoče trditi s statistiko po podatkih Bromagea. Zaradi stroškov in zapletenosti je bilo treba eksperiment izvesti v krajšem časovnem okviru, kot si je Bromage upal. Ker je bilo ciklov premalo, ni mogel statistično objektivno preveriti ritmov. Namesto tega ga je situacija spodbudila, da prevzame petdnevni ritem, nato pa preveri, ali je ta predpostavka statistično pomembna. Če trdite, da obstaja petdnevni cikel, morate izmeriti veliko ciklov, da boste imeli statistično osnovo, pravi Andrew Liu, kronobiolog z univerze v Memphisu.
Bromage se je strinjal, da ima poskus svoje pomanjkljivosti. "Res smo ga pospešili," pravi. Težko bi izmerili kri prašičev v daljšem obdobju: živali so postale bolj pod stresom in do konca študije so začele razvijati okužbe. "To je bila popolnoma nova izkušnja za vse, zato ni bila popolna in smo se veliko naučili," pravi Bromage.
Za natančnejše podatke načrtuje, da bo v svojo naslednjo študijo vključil več ciklov, med katerimi bo mesec dni meril kri pri opicah rezusu (imajo ritem štirih dni). Makaki so navajeni odvzema krvi, kar pomeni, da bodo znanstveniki odvzeli vzorce krvi pri živalih, ki nimajo težav s stresom, kot so prašiči.
Bromage je ugotovil, da je ne glede na to določil petdnevni ritem v drugi vrsti molekul, ki krožijo v prašičji krvi: majhni RNK, večina tistih s petdnevnim ciklom pa ima tudi biološko funkcijo, povezano z rastjo. Ne verjame, da je to odkritje naključje. "Možnost, da bi se to lahko zgodilo, je astronomsko majhna," pravi.
Dvodnevna podgana
Krvni testi niso edini način, kako lahko znanstveniki sledijo bioritmom. Liu z univerze v Memphisu pravi, da bi ga, če bi imel denar, zanimalo določiti večdnevni ritem pri veliki živali z uporabo dnevnega reporterjevega gena. Te gene sproži cirkadijski ritem in tvorijo molekulo, ki jo lahko biologi v resničnem času izmerijo z visoko natančnostjo. Povezava takšnega gena s hipotalamusom živali lahko razkrije, da se cirkadijski ritem nekako spreminja v večdnevnem urniku, "pravi Liu. "To je izvedljivo," pravi, "in zelo zanimivo."
Kljub temu, da je ritem presnovkov potrjen, pravijo Liu in drugi, to ne pomeni, da je odgovoren za velikost telesa. Namesto tega lahko preprosto odraža različne stopnje rasti pri živalih različnih velikosti. Kot je pojasnil Liu, "samo zato, ker v krvi nekaj, kar ima ritem, ne pomeni nujno," je to razlog.
Bromage se je strinjal. "To je samo hipoteza. Lahko je eksperimentalno preizkušen." Da bi to storil, želi podvržene odrasle celice podeliti biološkim dejavnikom, ki bi lahko cirkadijski ritem spremenili v večdnevni ritem. Ko bo to delovalo, pravi, bodo znanstveniki videli, ali lahko "celo podgano spremenijo v dvodnevno žival."
Andreas von Bubnoff