Drobné línie na zubnej sklovine odhaľujú predtým neznámy biologický rytmus. Ak sa údaje potvrdia, toto zistenie pomôže vedcom pochopiť, prečo väčšie zvieratá rastú pomalšie a žijú dlhšie ako menšie.
Jedno leto minulého roka, Timothy Bromage, paleontológ na New York University, žil počas dovolenky na Cypre jahňací kotleta. Zrazu začul krízu. Keď za zvukom nasledovala prudká bolesť, uvedomil si, že mu zlomil zub.
Keď sa vrátil do New Yorku, jeho zubár mu povedal, že ak bude chcieť obnoviť zub, bude musieť vydržať tri mesiace bolesti. „Alebo mi daj iba päť minút,“povedal doktor, „a teraz to vytiahnem.“
Delécia preferovaná pomocou Bromage. Dokázal tak urobiť tenkú časť zuba, čo chcel urobiť niekoľko rokov, aby zmeral nový druh biorytmu, ktorý študoval v trvalých zuboch cicavcov. Nejde o dobre preštudovaný cirkadiánny biorytmus, ale o dlhší, ktorý sa líši od druhu k druhu a trvá dva dni až dva týždne. Bromage verí, že tento rytmus môže určiť rýchlosť rastu zvierat a ich životnosť.
U potkanov biorytmus trvá jeden deň; u makakov - štyri, u oviec - päť, u ľudí - od šiestich do 12 dní. Bromage potvrdil tento vzťah u desiatok ďalších živých a zaniknutých cicavcov vrátane ázijských slonov, ktorých biologický rytmus trvá 14 dní. (Existujú výnimky: psy napríklad tento vzťah neukazujú.)
Vo všeobecnosti je pomalší rytmus väčších druhov cicavcov opodstatnený: veľké zvieratá rastú pomalšie ako menšie zvieratá a trávia dlhšie obdobia. Bromage verí, že rytmus zubov a kostí odráža rastový signál, ktorý stimuluje rýchlosť delenia buniek, ktorú bunky tela prijímajú v pravidelných intervaloch. Čím častejšie sa takéto signály prijímajú, tým rýchlejšie zviera rastie.
Rytmický interval sa zvyšuje nielen s telesnou hmotnosťou, Bromage zistil, že sa zvyšuje s ďalšími charakteristikami, ktoré sa zvyšujú spolu s telesnou hmotnosťou, napríklad s očakávanou dĺžkou života, dĺžkou laktácie, metabolickou rýchlosťou, trvaním estrálneho cyklu a dokonca aj veľkosťou obličiek. To naznačuje, že meraním rýchlosti rastu iba jedného zuba, aj keď ide o vyhynuté zviera, bude možné určiť nielen veľkosť jeho tela, ale aj mnoho ďalších jeho znakov.
"Dajte mi akýkoľvek zub, akýkoľvek trvalý zub primáta - jednoducho mi ho hodte, nehovorte mi, čo to je primát - a zrekonštruujem, akú mal obličky, ako dlho žila, všetky tieto vlastnosti," hovorí Bromage. "Je neuveriteľné, aké okno príležitosti tento materiál otvára, aby našiel kľúč k životu."
Propagačné video:
Po získaní prestížnej ceny Maxa Plancka za vedu s kolegom v roku 2010, spoločnosť Bromage vynaložila 750 000 EUR na výskum, aby určila, či vzorky živočíšnej krvi odrážajú rovnaké rytmy ako zuby. Výskum bol nákladný a časovo náročný, pretože myši a potkany (lacné pracovné biológy) nemajú viacdňový rytmus a nemôžu byť použité ako experimentálne subjekty.
Výsledky jeho výskumu uverejneného v roku 2016 ešte nie sú dostatočne pevné na to, aby sa stali objavom. Mnoho chronobiológov je voči nim skeptických.
Ale „Čo ak má koniec koncov pravdu?“Spýta sa Robin Bernstein, antropologický biológ na University of Colorado v Boulder, ktorý študoval vývoj telesnej veľkosti a teraz študuje rast ľudí a primátov. "Podľa môjho názoru je jedným z tých ľudí, ktorí majú pred sebou čas," hovorí. "Možno tu nie je nič zvláštne, ale je to originálne, skutočne zaujímavé a myslím si, že by sa s tým mohlo veľa urobiť."
Zubné spojenia
Bromage sa začal zaujímať o zuby, keď bol v 80-tych rokoch postgraduálnym študentom. V tom čase vedci vedeli, že rovnako ako stromy vytvárajú jednoročné krúžky, na zubnej sklovine sa vytvárajú pruhy denného rastu. V 30. a 40. rokoch 20. storočia ich japonskí vedci objavili na zuboch psov, potkanov, ošípaných a makakov.
Cicavce tiež majú nápadné pruhy nazývané Retziusove pruhy. Na začiatku hominidov študovaných v tom čase Bromageom sedem denných pásiem oddelilo každú retziovú líniu. Nikto nevedel, ako a prečo sa vytvorili, ale Bromage ich dokázal použiť ako ukazovateľ, ktorý ukázal, že prvé trvalé stoličky sa objavili u starších hominidov okolo troch rokov, ako šimpanzi, oveľa skôr ako u moderných ľudí. To znamenalo, že skorí hominidi neboli iba miniatúrnymi verziami moderných ľudí, ako sa vtedy verilo, ale boli bližšie k ľudoopom.
V roku 1991 Bromage potvrdil, že retziové línie u makakov boli oddelené iba štyrmi dennými rastovými líniami, na rozdiel od siedmich u skorých hominidov. Potom v roku 2000 si uvedomil, že kosti majú tiež vzor pravidelného rastu. Zistil, že pruhy, nazývané lamely, sa vytvorili na kostiach potkanov iba za jeden deň. Ako je to možné, ak ľudské kosti rastú omnoho pomalšie ako kosti potkanov?
„Už roky mi to nevyšlo z hlavy,“hovorí Bromage. A potom jedného dňa v roku 2008 čítal v dizertačnej práci jedného zo svojich študentov, že za štyri dni vznikajú lamely v kostiach makakov, teda rovnakým spôsobom ako retziové línie, ktoré našiel v zuboch makakov v roku 1991. "Táto spomienka z roku 1991 mi prišla na myseľ hneď potom, čo som videl číslo štyri," spomína. Bolo by možné, myslel si, že cicavce majú rovnaké obdobia rastu v zuboch a kostiach? Ak je to tak, potom by sa lamely u ľudí mali tvoriť aj za sedem dní, čo je omnoho dlhšie ako u potkanov, čo trvá len jeden deň.
Bromage nazval túto myšlienku „úplne novou paradigmou“. Dovtedy sa verilo, že neexistuje súvislosť medzi rastom zubov a kostí; kosti sa nikdy nepovažovali za tkanivo, ktoré sa vyvíja v postupných, merateľných štádiách, ako sú zuby a stromy. Akékoľvek možné spojenie medzi rýchlosťou vývoja zubov a kostí bolo také zásadné, že som nemohol nikomu nič povedať ani týždeň, “hovorí Bromage, dokonca aj jeho manželke. V laboratóriu skontroloval histologickú štruktúru kostí a zubov a zistil, že rytmy rastu zubov a kostí sa zhodovali v makakoch, ovciach a ľuďoch.
Rytmus mozgu
Ak rytmy, ktoré Bromage videl v rastových pásmach zubov a kostí cicavcov, boli odpoveďou na rastový signál, odkiaľ by tento signál mohol pochádzať? Bromage verí, že jeho zdrojom je rovnaká časť mozgu, ktorá, ako je známe, nastavuje cirkadiánny biorytmus, to znamená hypotalamus. Koniec koncov, dĺžka biorytmov, ktoré študoval, je vždy násobkom celého dňa a biologické hodiny, ako už bolo stanovené, ovplyvňujú rýchlosť bunkového delenia. Hypotalamus je schopný vykonávať túto funkciu, takže „prečo vymýšľať iný, úplne nový nástroj?“- v ňom vyvstala otázka. Niečo, možno látka hromadiaca sa v hypotalame, môže meniť biologické hodiny vo viacdňovom cykle. Akákoľvek časť mozgu je za to zodpovedná, „to sa má počítať len,“hovorí Bromage.
Hypotalamus tiež vykonáva inú prácu: reguluje hypofýzu, hormón produkujúcu hypofýzu, ktorej predná časť reguluje veľkosť tela a zadná časť upravuje trvanie estrálneho cyklu. Možno nie náhodou sú to len dva fyziologické znaky, ktoré objavil Bromage priamo v korelácii s trvaním nového biorytmu.
Bromage začal testovať svoju teóriu. Ak signál generovaný v mozgu reguluje rýchlosť rastu, Bromage špekuloval, potom krv musí niesť stopy tohto signálu.
Bromage strávil dva týždne zberom šiestich mililitrov vzoriek krvi od ošípaných. Potom odovzdal 1700 vzoriek, ktoré zozbieral od 33 ošípaných, do nezávislého laboratória, aby identifikoval 995 rôznych metabolitov, biochemických látok produkovaných telom.
Po úhrade 300 tisíc dolárov dostal odpoveď: zo 159 najkoncentrovanejších metabolitov so špecifickou biologickou funkciou 108 odrážalo cirkadiánny rytmus. Ďalším najčastejším rytmom bol rovnaký päťdňový rytmus, aký Bromage identifikoval v zuboch a kostiach ošípaných. Tento cyklus prešlo iba 55 zo 159 metabolitov a iba v 20 sa tento cyklus zhodoval s inými rytmami.
Na svoje prekvapenie Bromage identifikoval dva päťdňové cykly s odstupom troch dní. Prvý obsahoval metabolity spojené s rastom a druhý - metabolity vznikajúce pri rozklade biologických molekúl. To dávalo zmysel: keď rast skončí, metabolity sa musia podrobiť rozkladu, aby boli dostupné na spracovanie v ďalšom rastovom cykle. Aký úžasne navrhnutý systém, pomyslel si Bromage, nikdy by som tomu neveril, keby som ho nevidel na vlastné oči!
Nový biorytmus nazval „Havers-Halbergove oscilácie“. Meno sa udeľuje na počesť Cloptona Haversa, ktorý koncom 17. storočia prvýkrát opísal kostné lamely a čo by sa neskôr stalo známymi ako retziové pruhy; a Franz Halberg, chronobiológ, ktorý zomrel v roku 2013 vo veku 93 rokov.
Problém s ošípanými
Pri spätnom pohľade si uvedomujeme, že pomenovanie rytmu po Halbergovi nebolo najchytrejším rozhodnutím.
Chronobiológovia sa stali extrémne skeptickí v súvislosti s objavom viacdňových biorytmov, hovorí Roberto Refinetti, fyziológ na Boise University a autor učebnice cirkadiánnej fyziológie. Za to dlhujeme Halbergovi veľa. Predstavil samotný pojem „cirkadiánny“. V budúcnosti však oznámil objav dlhších rytmov bez toho, aby predložil podstatné dôkazy. „Bol to skutočne, ako rád hovoril, šľachetný muž," povedal Refinetti. „Niektorí si mysleli, že je dokonca mimo hraníc."
Sám Refinetti sa pokúsil (a nedokázal) identifikovať týždenný rytmus krvného tlaku a koncentrácie kyseliny mliečnej u koní. Verí, že Bromageov päťdňový rytmus ošípaných môže byť výsledkom ľudského pracovného týždňa, relatívne nového spoločenského vynálezu. Navyše tvrdí, že nič v životnom prostredí nemohlo byť predpokladom rozvoja týždenného rytmu v priebehu miliónov rokov. Kontrastujte to s cirkadiánnym rytmom, ktorý zjavne vznikol ako reakcia na zmenu dňa a noci.
Bromage odpovedal, že rytmy, ktoré identifikoval, s najväčšou pravdepodobnosťou nemôžu byť spôsobené pracovným týždňom, pretože ošípané boli stále udržiavané v konštantných podmienkach. Navyše, ak je Bromageova teória správna, tieto rytmy by nevyžadovali rozvoj viacdňového vonkajšieho signálu, pretože sú založené na denných hodinách, ktoré sa dajú spočítať. Refinetti dodal, že pravdepodobne nemeria týždenný rytmus u koní, pretože nemeria celý komplex spojený s rastom.
Pokiaľ ide o kritiku Halbergových údajov, Bromage povedal, že po ňom pomenoval rytmus, pretože „bojoval za dlhodobé rytmy, keď o tom nikto iný na Zemi nepremýšľal“. Ale to, hovorí Bromage, neznamená, že súhlasím so všetkými jeho tvrdeniami.
Je zložitejšie argumentovať štatistikou podľa údajov Bromage. Kvôli nákladom a zložitosti sa experiment musel uskutočniť v kratšom časovom rámci, ako Bromage dúfal. Pretože prebehlo príliš málo cyklov, nedokázal štatisticky objektívne skontrolovať rytmy. Namiesto toho ho situácia prinútila predpokladať päťdňový rytmus a potom skontrolovať, či bol tento predpoklad štatisticky relevantný. Ak tvrdíte, že existuje päťdňový cyklus, musíte zmerať veľa cyklov, aby ste mali štatistický základ, hovorí Andrew Liu, chronobiológ z University of Memphis.
Bromage súhlasil, že experiment mal svoje vlastné nedostatky. "Naozaj sme to urýchlili," hovorí. Bolo by ťažké merať krv ošípaných v dlhšom období: zvieratá boli viac stresované a na konci štúdie sa začali vyvíjať infekcie. „Bola to úplne nová skúsenosť pre všetkých, takže to nebolo dokonalé a veľa sme sa naučili,“hovorí Bromage.
Aby získal presnejšie údaje, plánuje zahrnúť viac cyklov do svojej nasledujúcej štúdie, počas ktorej bude merať krv u opíc rhesus (majú rytmus štyri dni) jeden mesiac. Na odber vzoriek krvi sú zvyknutí makaky, dodal, čo znamená, že vedci budú odoberať vzorky krvi od zvierat, ktoré nemajú problémy so stresom, napríklad ošípané.
Bromage poznamenal, že bez ohľadu na to identifikoval päťdňový rytmus v inom type molekúl cirkulujúcich v krvi ošípaných: malé RNA a väčšina z tých s päťdňovým cyklom má tiež biologickú funkciu súvisiacu s rastom. Nemyslí si, že tento objav je náhoda. „Pravdepodobnosť, že by sa to mohlo stať, je astronomicky malá,“hovorí.
Dva dni staré potkany
Krvné testy nie sú jediným spôsobom, ako vedci sledujú biorytmy. Liu z University of Memphis hovorí, že keby mal peniaze, mal by záujem o stanovenie viacdňového rytmu u veľkého zvieraťa pomocou denného reportérového génu. Tieto gény sú spúšťané cirkadiánnym rytmom a vytvárajú molekulu, ktorú môžu biológovia merať s vysokou presnosťou v reálnom čase. Spojenie takého génu s hypotalamom zvieraťa môže odhaliť, že cirkadiánny rytmus sa v priebehu viacdenného programu nejakým spôsobom líši, “hovorí Liu. „Je to uskutočniteľné,“hovorí, „a veľmi zaujímavé.“
Aj keď sa rytmus metabolitov potvrdí, Liu a ďalší vedci tvrdia, že to neznamená, že je zodpovedný za veľkosť tela. Skôr to môže jednoducho odrážať rôzne rýchlosti rastu u zvierat rôznych veľkostí. Ako Liu vysvetlil, „len preto, že v krvi vyznačujete niečo, čo má rytmy, to nevyhnutne neznamená,“to je dôvod.
Bromage súhlasil. „Je to iba hypotéza," povedal. „Môže sa to experimentálne testovať." Aby to urobil, chce vystavené bunky rozdeliť raz denne biologickým faktorom, ktoré môžu z cirkadiánneho rytmu urobiť viacdňový rytmus. Hneď ako to bude fungovať, vedci zistia, či dokážu premeniť „celú krysu na dvojdňové zviera“.
Andreas von Bubnoff