Малките линии на зъбния емайл разкриват неизвестен досега биологичен ритъм. Ако данните се потвърдят, тази констатация ще помогне на изследователите да разберат защо по-големите животни растат по-бавно и живеят по-дълго от по-малките.
Едно лято миналата година Тимоти Бромаж, палеонтолог от Нюйоркския университет, дъвчеше агнешко котлет, докато почиваше в Кипър. Изведнъж чу тропкане. Когато звукът беше последван от остра болка, той разбра, че е счупил зъб.
Когато се върнал в Ню Йорк, зъболекарят му казал, че ще трябва да издържи три месеца агония, ако иска да възстанови зъб. "Или ми дайте само пет минути", каза лекарят, "и веднага ще го извадя."
Bromage предпочитано изтриване. По този начин той успя да направи тънък участък на зъба, което е искал да направи няколко години, за да измери нов вид биоритъм, който изучава в постоянните зъби на бозайниците. Това не е добре проучен циркаден биоритъм, а по-дълъг, различаващ се от видове до видове, с продължителност от два дни до две седмици. Bromage вярва, че този ритъм може да определи скоростта на растеж на животните и техния живот.
При плъховете биоритъмът продължава един ден; при макаките - четири, при овцете - пет, при хората - от шест до 12 дни. Bromage потвърди тази връзка при десетки други живи и изчезнали бозайници, включително азиатски слонове, които имат биоритъм, който продължава 14 дни. (Има изключения: например кучетата не показват тази връзка.)
По принцип по-бавният ритъм при по-големите видове бозайници е оправдан: големите животни растат по-бавно от по-малките животни, прекарвайки по-дълги периоди. Bromage вярва, че ритъмът на зъбите и костите отразява растежен сигнал, който стимулира скоростта на деленето на клетките, които клетките на тялото получават този сигнал на редовни интервали. Колкото по-често се получават такива сигнали, толкова по-бързо расте растението.
Ритмичният интервал се увеличава не само с телесното тегло, Bromage установява, че се увеличава с други характеристики, които се увеличават заедно с телесното тегло, например, продължителност на живота, продължителност на лактацията, скорост на метаболизма, продължителност на естрозния цикъл и дори размер на бъбреците. Това предполага, че чрез измерване на скоростта на растеж само на един зъб, дори и да е изчезнало животно, ще бъде възможно да се определи не само размерите на тялото му, но и много от другите му характеристики.
„Дайте ми какъвто и да е зъб, който и да е постоянен зъб примат - просто ми го хвърлете, не ми казвайте какъв примат е - и аз ще реконструирам какъв размер е имал бъбреците, колко дълго е живял, всички тези характеристики“, казва Бромаж. „Невероятно е какъв прозорец от възможности се отваря този материал за намиране на ключа към живота.“
Промоционално видео:
След като получи престижната научна награда Max Planck с колега през 2010 г., Bromage похарчи 750 000 евро за изследвания, за да определи дали пробите от животински кръв отразяват същите ритми като зъбите. Изследването беше скъпо и отнема много време, защото мишките и плъховете (евтините работни коня на биологията) нямат многодневен ритъм и не могат да бъдат използвани като експериментални субекти.
Резултатите от неговите изследвания, публикувани през 2016 г., все още не са достатъчно солидни, за да се превърнат в откритие. Много хронобиолози са скептично настроени към тях.
Но „Ами ако той е прав в края на краищата?“, Пита Робин Бернщайн, биолог-антрополог в Университета на Колорадо в Боулдър, който е изучил еволюцията на телесните размери и сега изучава растежа на хората и примамите, различни от човека. "Според мен той е от онези хора, които изпреварват времето си", казва тя. „Може би няма нищо особено тук, но е оригинално, наистина интересно и мисля, че може да се направи много по въпроса.“
Дентални връзки
Bromage се интересува от зъби, когато е бил аспирант в средата на 80-те години. По онова време учените знаеха, че точно както дърветата образуват годишни пръстени, ежедневните ивици на растеж се образуват върху зъбния емайл. През 30-те и 40-те години японските учени ги откриват на зъбите на кучета, плъхове, прасета и макаци.
Бозайниците също имат изявени ивици, наречени ивици Retzius. В ранните хоминиди, изучавани по това време от Bromage, седем дневни ленти разделяха всяка линия на Retzius. Никой не знаеше как или защо се образуват, но Bromage успя да ги използва като маркер, за да покаже, че първите постоянни кътници се появяват в ранните хоминиди около тригодишна възраст, като шимпанзетата, много по-рано от съвременните хора. Това означаваше, че ранните хоминиди не са просто миниатюрни версии на съвременните хора, както се смяташе тогава, но са по-близо до маймуните.
През 1991 г. Bromage потвърждава, че линиите на Retzius в макаките са разделени само от четири линии на растеж дневно, за разлика от седем в ранните хоминиди. Тогава през 2000 г. той разбра, че костите също имат модел на периодичен растеж. Той откри, че ивици, наречени ламели, се образуват върху костите на плъхове само за един ден. Как е възможно това, ако човешките кости растат много по-бавно от костите на плъхове?
„От години не ми излиза от главата“, казва Бромаж. И тогава един ден през 2008 г. той прочете в дисертация на един от учениците си, че ламелите в костите на макаките се образуват за четири дни, тоест по същия начин като линиите на Ретзиус, които той намери в зъбите на макаките през 1991 година. „Този спомен от 1991 г. влезе в съзнанието ми още на втория момент, когато видях числото четири“, спомня си той. Възможно ли е, запита се той, че бозайниците имат еднакви периоди на растеж в зъбите и костите? Ако това е така, тогава ламелите при хората също трябва да се образуват за седем дни, което е много по-дълго, отколкото при плъхове, което отнема само един ден.
Bromage нарече тази идея „изцяло нова парадигма“. Дотогава се смяташе, че няма връзка между това как растат зъбите и костите; костите никога не са били смятани за тъкан, която се развива на постепенни, измерими етапи, като зъби и дървета. Всяка възможна връзка между скоростта на развитие на зъбите и костите беше толкова фундаментална, че не можех да кажа нищо на никого за една седмица “, казва Бромаж, дори на жена си. Той провери хистологичната структура на костите и зъбите в лабораторията си и установи, че ритмите на растеж на зъбите и костите съвпадат при макаките, овцете и хората.
Ритъмът на мозъка
Ако ритмите, които Bromage видя в лентите за растеж на зъбите и костите на бозайниците, бяха отговор на сигнал за растеж, откъде може да идва този сигнал? Bromage вярва, че неговият източник е същата част от мозъка, която, както вече е известно, задава циркадния биоритъм, тоест хипоталамуса. В крайна сметка продължителността на биоритмите, които е изучавал, винаги е кратна на цял ден, а биологичният часовник, както вече беше установено, влияе върху скоростта на деленето на клетките. Хипоталамусът е способен да изпълнява тази функция, така че "защо да измислим друг, напълно нов инструмент?" - възникна въпрос в него. Нещо, може би вещество, натрупващо се в хипоталамуса, може да променя биологичния часовник в многодневен цикъл. Която и част от мозъка да е отговорна за това, „просто е предназначено да се брои“, казва Bromage.
Хипоталамусът върши и друга работа: той регулира хипофизата, хормона, произвеждаща хипофизата, предната част на която регулира размера на тялото, а задната част регулира продължителността на естроидния цикъл. Може би неслучайно това са единствените две физиологични особености, които Бромаж откри, са пряко свързани с продължителността на новия биоритъм.
Бромаж започна да тества теорията си. Ако сигналът, генериран в мозъка, регулира скоростта на растеж, Bromage спекулира, тогава кръвта трябва да носи следи от този сигнал.
Bromage прекара две седмици, събирайки шест милилитра кръвни проби от прасета. Тогава той предаде 1700 проби, които е събрал от 33 прасета в независима лаборатория, за да идентифицира 995 различни метаболити, биохимични вещества, произведени от организма.
След като похарчи 300 хиляди долара, той получи отговор: от 159 най-концентрирани метаболити със специфична биологична функция, 108 отразява циркадния ритъм. Следващият най-често срещан ритъм беше същият петдневен ритъм, който Bromage идентифицира в зъбите и костите на прасетата. Само 55 от 159 метаболити преминаха през този цикъл и само при 20 цикълът съвпадна с други ритми.
За негова изненада, Bromage идентифицира два петдневни цикъла три дни един от друг. Първият съдържа метаболити, свързани с растежа, а вторият - метаболити, образувани при разграждането на биологичните молекули. Това има смисъл: когато растежът приключи, метаболитите трябва да бъдат подложени на разпад, за да станат достъпни за преработка в следващия цикъл на растеж. Каква изящно проектирана система, помисли си Bromage, никога не бих повярвала, ако не я бях видяла със собствените си очи!
Той нарече новия биоритъм „Осцилации на Хавърс-Халбърг“. Името е дадено в чест на Клоптън Хавърс, който в края на XVII век за първи път описва костни ламели и онова, което по-късно ще стане известно като ивици Ретзиус; и Франц Халберг, хронобиолог, починал през 2013 г. на 93-годишна възраст.
Проблемът със свинете
Поглеждайки назад, осъзнаваме, че назоваването на ритъма след Халбърг не беше най-умното решение.
Хронобиолозите стават изключително скептични по отношение на откриването на многодневни биоритми, казва Роберто Рефинети, физиолог от университета в Боас и автор на учебник по циркадната физиология. И дължим много на Халбърг за това. Той въведе самото понятие „циркад“. В бъдеще обаче той обяви откриването на по-дълги ритми, без да представи съществени доказателства. „Той беше наистина, както обичаше да казва, широко настроен човек - каза Рефинети. - Някои смятали, че дори е извън границите“.
Самият Рефинети опита (и не успя) да идентифицира седмичен ритъм в кръвното налягане и концентрацията на млечна киселина при конете. Той смята, че петдневният ритъм на Bromage при прасетата може да е резултат от човешка работна седмица, сравнително ново социално изобретение. Освен това, според него, нищо в околната среда не би могло да бъде предпоставка за развитието на седмичен ритъм през милиони години. Контрастирайте това с циркадния ритъм, който очевидно възникна като реакция на промяната на деня и нощта.
Bromage отговори, че ритмите, които той идентифицира най-вероятно, не могат да бъдат причинени от работната седмица, тъй като прасетата са били държани в постоянни условия през цялото време. Освен това, ако теорията на Bromage е правилна, тогава тези ритми няма да се нуждаят от многодневен външен сигнал, за да се развият, тъй като се основават на ежедневни часове, които могат да бъдат преброени. Рефинети, добави той, вероятно не е измервал седмичния ритъм при коне, защото не е измервал целия комплекс, свързан с растежа.
По отношение на критиката към данните на Халбърг, Бромаж заяви, че е кръстил ритъма след него, защото „подкрепя дългосрочните ритми, когато никой друг на земята не мисли за това“. Но това, казва Бромаж, не означава „съгласен съм с всички негови твърдения“.
По-трудно е да се спори, може би, със статистиката според данните на Bromage. Поради цената и сложността експериментът трябваше да се извърши в по-кратки срокове, отколкото Bromage се надяваше. Тъй като имаше твърде малко цикли, той не можа статистически обективно да провери ритмите. Вместо това ситуацията го накара да поеме петдневен ритъм и след това да провери дали това предположение е статистически уместно. Ако претендирате за петдневен цикъл, трябва да измервате много цикли, за да имате статистическа база, казва Андрю Лиу, хронобиолог от университета в Мемфис.
Бромаж се съгласи, че експериментът има своите недостатъци. "Наистина го ускорихме", казва той. Трудно би било да се измери кръвта на прасета за по-дълъг период: животните станаха по-стресирани и към края на изследването започнаха да развиват инфекции. „Това беше напълно ново преживяване за всички, така че не беше перфектно и научихме много“, казва Bromage.
За да получи по-точни данни, той планира да включи повече цикли в следващото си изследване, по време на което в продължение на месец ще измерва кръв в маймуни резус (те имат ритъм четири дни). Макаките са свикнали да вземат кръвни проби, добави той, което означава, че учените ще вземат кръвни проби от животни, които не изпитват проблеми, свързани със стреса, като прасетата.
Бромаж отбеляза, че независимо от това, той идентифицира петдневен ритъм в друг тип молекули, циркулиращи в кръвта на прасетата: малки РНК и повечето от тези с петдневен цикъл също имат биологична функция, свързана с растежа. Той не смята, че това откритие е съвпадение. „Шансът това да се случи е астрономически малък“, казва той.
Двудневен плъх
Кръвните тестове не са единственият начин учените да проследяват биоритмите. Лю от Университета в Мемфис казва, че ако има пари, той би се заинтересувал да определи многодневния ритъм при голямо животно, използвайки гена на ежедневния репортер. Тези гени се задействат от циркадния ритъм и произвеждат молекула, която биолозите могат да измерват с висока точност в реално време. Асоциацията на такъв ген с хипоталамуса на животното може да разкрие, че циркадният ритъм по някакъв начин варира в рамките на многодневния график “, казва Лю. "Това е изпълнимо", казва той, "и много интересно."
Въпреки това, дори ако ритъмът на метаболитите е потвърден, казват Лиу и други учени, това не означава, че той е отговорен за размера на тялото. По-скоро може просто да отразява различни темпове на растеж при животни с различна големина. Както обясни Лю, „само защото маркираш нещо в кръвта, което има ритми, не означава непременно“, това е причината.
Bromage се съгласи. "Това е само хипотеза. Той може да бъде тестван експериментално." За целта той иска да подложи порасналите клетки, разделяйки се веднъж на ден, на биологични фактори, които биха могли да превърнат циркадния ритъм в многодневен ритъм. След като това работи, той казва, че учените ще видят дали могат да превърнат „цял плъх в двудневно животно“.
Андреас фон Бубнов