Sitne crte na caklini zuba otkrivaju ranije nepoznati biološki ritam. Ako se podaci potvrde, ovaj će nalaz pomoći istraživačima da shvate zašto veće životinje rastu sporije i žive dulje od manjih.
Jednog ljeta prošle godine Timothy Bromage, paleontolog na njujorškom sveučilištu, žvakao je janjeću kocku dok je ljetovao na Cipru. Odjednom je začuo mrvicu. Kad je zvuk pratila oštra bol, shvatio je da je slomio zub.
Kad se vratio u New York, njegov stomatolog rekao mu je da će morati izdržati tri mjeseca agonije ako želi popraviti zub. "Ili mi dajte samo pet minuta", rekao je liječnik, "i odmah ću ga izvući."
Bromage preferira brisanje. Tako je uspio napraviti tanki presjek zuba, što je želio učiniti nekoliko godina, kako bi izmjerio novu vrstu bioritma, koju je proučavao u trajnim zubima sisavaca. Ovo nije dobro proučen cirkadijanski bioritam, već duži, razlikuje se od vrste do vrste, a traje od dva dana do dva tjedna. Bromage vjeruje da ovaj ritam može odrediti stopu rasta životinja i njihov životni vijek.
Kod štakora bioritam traje jedan dan; u makaki - četiri, kod ovaca - pet, kod ljudi - od šest do 12 dana. Bromage je potvrdio taj odnos kod desetaka drugih živih i izumrlih sisavaca, uključujući azijske slonove, koji imaju bioritam koji traje 14 dana. (Postoje izuzeci: na primjer, psi ne pokazuju ovu vezu.)
Općenito je opravdan sporiji ritam kod većih vrsta sisavaca: velike životinje rastu sporije od manjih životinja, provodeći dulje razdoblje. Bromage vjeruje da ritam zuba i kosti odražava signal rasta koji potiče brzinu diobe stanica, koje stanice tijela primaju ovaj signal u redovitim intervalima. Što se češće takvi signali primaju, to brže raste životinja.
Ritamski interval se povećava ne samo s tjelesnom težinom, Bromage je otkrio da se povećava s drugim karakteristikama koje se povećavaju zajedno s tjelesnom težinom, na primjer, životnim vijekom, trajanjem dojenja, brzinom metabolizma, trajanjem estrog ciklusa, pa čak i veličinom bubrega. Ovo sugerira da će se mjerenjem stope rasta samo jednog zuba, čak i ako se radi o izumrloj životinji, moći utvrditi ne samo veličina njegovog tijela, već i mnoga druga njegova obilježja.
"Dajte mi bilo koji zub, bilo koji trajni zub primata - samo mi ga bacite, nemojte mi reći koji je primat - i rekonstruirat ću u kojoj je veličini imao bubrege, koliko je dugo živio, sve te značajke", kaže Bromage. "Nevjerojatno je što se ovom materijalu pruža mogućnost pronalaska ključa života."
Promotivni video:
Nakon što je 2010. s kolegom primio prestižnu nagradu Max Planck Science Science, Bromage je potrošio 750 000 eura na istraživanje kako bi utvrdio odražavaju li uzorci krvi životinja iste ritmove kao i zubi. Istraživanje je bilo skupo i dugotrajno, dijelom i zbog toga što miševi i štakori (jeftini radni konji biologije) nemaju višednevni ritam i zato se ne mogu koristiti kao eksperimentalni subjekti.
Rezultati njegovog istraživanja, objavljeni 2016. godine, još nisu dovoljno čvrsti da bi postali otkriće. Mnogi kronobiolozi su skeptični prema njima.
Ali "A što ako je on ipak u pravu?", Pita Robin Bernstein, biolog antropologa na Sveučilištu Colorado u Boulderu, koji je proučavao evoluciju tjelesne veličine i sada proučava rast ljudi i primata koji nisu ljudi. "Po mom mišljenju, on je jedan od onih ljudi koji su ispred svog vremena", kaže ona. "Možda tu nema ničeg posebnog, ali originalno je, zaista zanimljivo. Mislim da bi se na tome moglo mnogo učiniti."
Zubne veze
Bromage se počeo zanimati za zube kad je bio diplomski student sredinom 1980-ih. U to su vrijeme znanstvenici znali da jednako kao što drveće formira godišnje prstenove, svakodnevni tragovi rasta nastaju i na caklini zuba. U tridesetim i četrdesetim godinama prošlog vijeka japanski su ih znanstvenici otkrili na zubima pasa, štakora, svinja i makaka.
Sisavci također imaju istaknute pruge nazvane retziusove pruge. U ranim hominidima koje je Bromage u to vrijeme proučavao, sedam dnevnih pojaseva razdvajalo je svaku retzijevu lozu. Nitko nije znao kako se i zašto formiraju, ali Bromage ih je mogao upotrijebiti kao marker kako bi pokazao da su se prvi trajni kutnjaci pojavili u ranim hominidima oko treće dobi, poput čimpanza, mnogo ranije nego kod modernih ljudi. To je značilo da rani hominidi nisu samo minijaturne verzije suvremenog čovjeka, kako se tada vjerovalo, već su bili bliži majmunima.
Godine 1991. Bromage je potvrdio da su Retziusove linije u makaki razdvojene samo četiri linije rasta dnevno, za razliku od sedam koje je primijetio u ranim hominidima. Tada je 2000. godine shvatio da i kosti imaju uzorak periodičnog rasta. Otkrio je da su se pruge, nazvane lamele, formirale na kostima štakora u samo jednom danu. Kako je to moguće ako ljudske kosti rastu mnogo sporije od kostiju štakora?
"Godinama mi ne ide iz glave", kaže Bromage. A onda je jednoga dana 2008. pročitao u disertaciji jednog od svojih učenika da se lamele u kostima makaka formiraju u četiri dana, odnosno na isti način kao Retziusove linije, koje je pronašao u zubima makaka 1991. godine. "To mi je sjećanje iz 1991. ušlo u pamet onog trenutka kada sam vidio broj četiri", sjeća se on. Je li moguće, pitao se, da sisari imaju iste periode rasta zuba i kostiju? Ako je to slučaj, onda bi se lamele kod ljudi također trebale formirati za sedam dana, što je puno duže nego kod štakora, za to im je potreban samo jedan dan.
Bromage je ovu ideju nazvao "posve novom paradigmom." Do tada se vjerovalo da ne postoji povezanost između rasta zuba i kostiju; kosti se nikada nisu smatrale tkivom koje se razvija u postupnim, mjerljivim fazama, poput zuba i drveća. Svaka moguća veza između stope razvoja zuba i kosti bila je toliko temeljna da tjedan dana nisam nikome mogao ništa reći - kaže Bromage, čak i svojoj supruzi. Ispitao je histološku strukturu kostiju i zuba u svojoj laboratoriji i ustanovio da se ritmi rasta zuba i kosti podudaraju kod makaka, ovaca i ljudi.
Ritam mozga
Ako su ritmovi koje je Bromage vidio u bendovima rasta zuba i kosti sisavaca odgovor na signal rasta, odakle bi taj signal mogao doći? Bromage vjeruje da je njegov izvor isti dio mozga koji, kao što je već poznato, postavlja cirkadijanski bioritam, to jest hipotalamus. Napokon, duljina bioritama koje je proučavao uvijek je višestruka od čitavog dana, a biološki sat, kao što je već utvrđeno, utječe na brzinu diobe stanica. Hipotalamus je sposoban obavljati ovu funkciju, pa „zašto izmisliti još jedan, potpuno novi instrument?“- u njemu se postavilo pitanje. Nešto, možda tvar koja se nakuplja u hipotalamusu, može mijenjati biološki sat u višednevnom ciklusu. Bez obzira na to koji je dio mozga odgovoran za to, "to je samo način da se broji", kaže Bromage.
Hipotalamus također obavlja i drugi posao: on regulira hipofizu, hipofizu koja proizvodi hormon, čija prednja strana regulira veličinu tijela, a stražnja strana regulira trajanje estro-ciklusa. Možda nisu slučajno, to su jedine dvije fiziološke značajke za koje je Bromage utvrdio da su u korelaciji s trajanjem novog bioritma.
Bromage je počeo testirati svoju teoriju. Ako signal generiran u mozgu regulira brzinu rasta, nagađa Bromage, tada krv mora nositi tragove ovog signala.
Bromage je proveo dva tjedna skupljajući šest mililitara uzoraka krvi svinja. Potom je predao 1.700 uzoraka koje je prikupio od 33 svinje u neovisni laboratorij kako bi identificirao 995 različitih metabolita, biokemijskih tvari koje tijelo proizvodi.
Nakon što je potrošio 300 tisuća dolara, dobio je odgovor: od 159 najkoncentriranijih metabolita sa specifičnom biološkom funkcijom, 108 je odražavalo cirkadijanski ritam. Sljedeći je najčešći ritam bio isti onaj petodnevni ritam koji je Bromage prepoznao u zubima i kostima svinja. Samo 55 od 159 metabolita prošlo je kroz ovaj ciklus, a samo u 20 se ciklus podudarao s drugim ritmovima.
Na svoje iznenađenje, Bromage je u tri dana razdvojio dva petodnevna ciklusa. Prvi je sadržavao metabolite povezane s rastom, a drugi - metaboliti nastali tijekom raspada bioloških molekula. Ovo je imalo smisla: kada se rast završi, metaboliti se moraju razgraditi kako bi postali dostupni za preradu u sljedećem ciklusu rasta. Kakav izvanredno dizajniran sustav, pomislio je Bromage, Nikad mu ne bih vjerovao da ga nisam vidio vlastitim očima!
Novi je bioritam nazvao "Havers-Halbergova oscilacija". Ime je dobilo u čast Cloptona Haversa, koji je krajem 17. stoljeća prvi opisao lamele kostiju i ono što će kasnije postati poznato pod nazivom Retziusove pruge; i Franz Halberg, hronobiolog koji je umro 2013. u dobi od 93 godine.
Problem sa svinjama
Gledajući unatrag, shvaćamo da imenovanje ritma nakon Halberga nije bila najpametnija odluka.
Kronobiolozi su postali krajnje sumnjičavi prema otkriću višednevnih bioritama, kaže Roberto Refinetti, fiziolog sa Sveučilišta u Boiseu i autor udžbenika o cirkadijanskoj fiziologiji. A Halbergu dugujemo puno za ovo. Uveo je sam pojam "cirkadijan". Međutim, u budućnosti je najavio otkrivanje dužih ritmova, bez izlaganja znatnih dokaza. "Bio je doista, kako je volio reći, širokogrudan čovjek," rekao je Refinetti, "neki su mislili da je čak i izvan granica."
Sam Refinetti pokušao je (i nije uspio) identificirati tjedni ritam krvnog tlaka i koncentracije mliječne kiseline u konja. Vjeruje da je Bromageov petodnevni ritam kod svinja možda rezultat ljudskog radnog tjedna, relativno novog društvenog izuma. Štoviše, kaže, ništa u okolini nije moglo biti preduvjet za razvoj tjednog ritma kroz milijune godina. Usporedite to s cirkadijanskim ritmom, koji je očito nastao kao reakcija na promjenu dana i noći.
Bromage je odgovorio da ritmovi koje je prepoznao najvjerojatnije ne mogu uzrokovati radnim tjednom, jer su svinje stalno držane u stalnim uvjetima. Štoviše, ako je Bromageova teorija točna, tada tim ritmovima ne bi bio potreban višednevni vanjski signal, jer se temelje na dnevnim satima koji se mogu računati. Refinetti, dodao je, vjerojatno nije mjerio tjedni ritam kod konja jer nije mjerio cijeli kompleks povezan s rastom.
U smislu kritike Halbergovih podataka, Bromage je rekao da je taj ritam nazvao po njemu jer se "zalagao za dugoročne ritmove kada nitko drugi na zemlji nije razmišljao o tome". Ali to, kaže Bromage, ne znači "slažem se sa svim njegovim izjavama."
Teže je raspravljati se možda s statistikom prema Bromageovim podacima. Zbog troškova i složenosti, eksperiment se morao izvesti u kraćem vremenskom okviru nego što se Bromage nadao. Budući da je bilo premalo ciklusa, nije mogao statistički objektivno provjeriti ritmove. Umjesto toga, situacija ga je navela da preuzme petodnevni ritam, a zatim provjeri je li ta pretpostavka statistički relevantna. Ako tvrdite da postoji petodnevni ciklus, potrebno je izmjeriti mnogo ciklusa kako biste imali statističku osnovu, kaže Andrew Liu, kronobiolog sa Sveučilišta u Memphisu.
Bromage se složio da eksperiment ima svoje nedostatke. "Stvarno smo ubrzali", kaže on. Bilo bi teško izmjeriti krv svinja tijekom dužeg razdoblja: životinje su postale pod stresom i do kraja studije počele su razvijati infekcije. "Bilo je to potpuno novo iskustvo za sve, pa zato nije bilo savršeno i puno smo naučili", kaže Bromage.
Kako bi dobio točnije podatke, planira u sljedeću studiju uključiti više ciklusa tijekom kojih će mjesec dana mjeriti krv kod majmuna rezusa (oni imaju ritam od četiri dana). Makaci su navikli na uzorkovanje krvi, dodao je, što znači da će znanstvenici uzimati uzorke krvi od životinja koje nemaju problema sa stresom poput svinja.
Bromage je napomenuo da bez obzira na to, identificirao je petodnevni ritam u drugoj vrsti molekula koje kruže krvlju svinja: malim RNA, a većina onih s petodnevnim ciklusom također ima biološku funkciju povezanu s rastom. On ne misli da je ovo otkriće slučajnost. "Šansa da se to moglo dogoditi je astronomski mala", kaže on.
Dvodnevni štakor
Krvni testovi nisu jedini način na koji znanstvenici mogu pratiti bioritme. Liu sa Sveučilišta u Memphisu kaže da bi ga, kad bi imao novca, zanimalo određivanje višednevnog ritma kod velike životinje koristeći dnevni reporterski gen. Ti se geni pokreću cirkadijanskim ritmom i stvaraju molekulu koju biolozi mogu mjeriti s velikom preciznošću u stvarnom vremenu. Povezanost takvog gena s hipotalamusom životinja može otkriti da cirkadijanski ritam nekako varira tijekom višednevnog rasporeda “, kaže Liu. "To je izvedivo," kaže, "i vrlo zanimljivo."
Međutim, čak i ako je ritam metabolita potvrđen, kažu Liu i drugi znanstvenici, to ne znači da je on odgovoran za veličinu tijela. Umjesto toga, može jednostavno odražavati različite stope rasta kod životinja različitih veličina. Kao što je Liu objasnio, "samo zato što označite nešto u krvi koje ima ritmove ne znači nužno", to je razlog.
Bromage se složio. "Ovo je samo hipoteza. Može se eksperimentalno testirati." Da bi to učinio, želi podvrgnuti uzgojene stanice, dijeleći jedanput dnevno, biološkim čimbenicima koji bi cirkadijanski ritam mogli pretvoriti u višednevni ritam. Nakon što to uspije, kaže, znanstvenici će vidjeti mogu li pretvoriti "cijelog štakora u dvodnevnu životinju".
Andreas von Bubnoff