Små linjer på tannemaljen avslører en tidligere ukjent biologisk rytme. Hvis dataene blir bekreftet, vil dette funnet hjelpe forskere til å forstå hvorfor større dyr vokser saktere og lever lenger enn mindre.
En sommer i fjor tygget Timothy Bromage, en paleontolog ved University of New York, mens han ferierte på Kypros, på en lammekotelett. Plutselig hørte han et knas. Da lyden ble fulgt av skarp smerte, skjønte han at han hadde brukket en tann.
Da han kom tilbake til New York, fortalte tannlegen at han måtte tåle tre måneders kvaler hvis han ønsket å få en tann gjenopprettet. "Eller gi meg bare fem minutter," sa legen, "så skal jeg trekke det ut akkurat nå."
Bromage foretrakk sletting. Dermed kunne han lage en tynn seksjon av tannen, som er det han hadde ønsket å gjøre i flere år, for å måle en ny type biorytm, som han studerte i de permanente tennene til pattedyr. Dette er ikke en godt studert døgnrytm, men en lengre en, avvikende fra art til art, som varer fra to dager til to uker. Bromage mener at denne rytmen kan sette dyres vekst og levetid.
Hos rotter varer biorytmen en dag; i makaker - fire, hos sauer - fem, hos mennesker - fra seks til 12 dager. Bromage bekreftet dette forholdet i dusinvis av andre levende og utdødde pattedyr, inkludert asiatiske elefanter, som har en biorytm som varer i 14 dager. (Det er unntak: for eksempel viser hunder ikke dette forholdet.)
Generelt er den langsommere rytmen i større pattedyrarter rettferdiggjort: store dyr vokser saktere enn mindre dyr, og tilbringer lengre perioder. Bromage mener at rytmen i tenner og bein reflekterer et vekstsignal som stimulerer celledelingen, som cellene i kroppen mottar dette signalet med jevne mellomrom. Jo oftere slike signaler mottas, jo raskere vokser dyret.
Rytmisk intervall øker ikke bare med kroppsvekt, Bromage fant ut at det øker med andre egenskaper som øker sammen med kroppsvekt, for eksempel levealder, ammingstid, metabolske hastighet, estrous syklusvarighet og til og med nyrestørrelse. Dette antyder at ved å måle veksthastigheten til bare en tann, selv om det er et utdødd dyr, vil det være mulig å bestemme ikke bare størrelsen på kroppen, men også mange av dens andre funksjoner.
"Gi meg hvilken som helst tann, hvilken som helst permanent primatann - bare kast den til meg, ikke fortell meg hvilken primat det er - og jeg vil rekonstruere hvilken størrelse den hadde nyrer, hvor lenge den levde, alle disse funksjonene," sier Bromage. "Det er utrolig hvilket vindu med muligheter dette materialet åpner for å finne nøkkelen til livet."
Salgsfremmende video:
Etter å ha mottatt den prestisjetunge Max Planck vitenskapsprisen sammen med en kollega i 2010, brukte Bromage 750 000 euro på forskning for å avgjøre om dyreblodprøver reflekterer de samme rytmene som tennene. Forskningen var kostbar og tidkrevende, også fordi mus og rotter (biologiens billige arbeidshester) ikke har en flere dagers rytme og ikke kan brukes som forsøkspersoner.
Resultatene fra forskningen hans, publisert i 2016, er ennå ikke solide nok til å bli et funn. Mange kronobiologer er skeptiske til dem.
Men “Hva om han tross alt har rett?” Spør Robin Bernstein, antropologbiolog ved University of Colorado i Boulder som har studert utviklingen i kroppsstørrelse og nå studerer veksten av mennesker og ikke-menneskelige primater. "Etter min mening er han en av de menneskene som er foran sin tid," sier hun. "Kanskje det ikke er noe spesielt her, men det er originalt, veldig interessant, og jeg tror mye kan gjøres med det."
Tannforbindelser
Bromage ble interessert i tenner da han var hovedfagsstudent på midten av 1980-tallet. På den tiden visste forskere at akkurat som trær danner årlige ringer, dannes det daglige vekststriper på tannemaljen. På 1930- og 1940-tallet oppdaget japanske forskere dem på tennene til hunder, rotter, griser og makaker.
Pattedyr har også fremtredende striper kalt Retzius-striper. I de tidlige hominidene som ble studert på den tiden av Bromage, skilte syv daglige band hver Retzius-avstamning. Ingen visste hvordan eller hvorfor de dannet seg, men Bromage var i stand til å bruke dem som en markør for å vise at de første permanente jekslene dukket opp i tidlige hominider rundt treårsalderen, som sjimpanser, mye tidligere enn moderne mennesker. Dette betydde at de tidlige hominidene ikke bare var miniatyrversjoner av moderne mennesker, slik man trodde, men var nærmere apene.
I 1991 bekreftet Bromage at Retzius 'linjer i makaker ble atskilt med bare fire daglige vekstlinjer, i motsetning til syv i tidlige hominider. Så i 2000 innså han at bein også har et mønster av periodisk vekst. Han fant ut at striper, kalt lameller, dannet seg på bein av rotter på bare en dag. Hvordan kan dette være mulig hvis menneskelige bein vokser mye saktere enn rottebein?
"Det har ikke gått ut av hodet på mange år," sier Bromage. Og så en dag i 2008, leste han i en avhandling av en av studentene sine at lameller i beinene av makaker dannes på fire dager, det vil si på samme måte som Retzius-linjene, som han fant i tennene til makaker i 1991. "Dette minnet fra 1991 kom inn i tankene mine helt andre gang jeg så nummer fire," husker han. Kan det være mulig, undret han, at pattedyr har samme vekstperioder i tenner og bein? Hvis dette er tilfelle, bør lameller hos mennesker også dannes på syv dager, noe som er mye lengre enn hos rotter, noe som bare tar en dag å gjøre det.
Bromage kalte denne ideen "et helt nytt paradigme." Fram til den tid trodde man at det ikke var noen sammenheng mellom hvordan tenner og bein vokser; bein ble aldri tenkt på som vev som utvikler seg i gradvis, målbare stadier, som tenner og trær. Enhver mulig sammenheng mellom utviklingen av tenner og bein var så grunnleggende at jeg ikke kunne fortelle noe til noen på en uke, sier Bromage, til og med kona. Han sjekket den histologiske strukturen til bein og tenner på laboratoriet sitt og fant ut at rytmene for vekst av tenner og bein falt sammen i makaker, sauer og mennesker.
Rytmen i hjernen
Hvis rytmene Bromage så i vekstbåndene til pattedyrens tenner og bein var et svar på et vekstsignal, hvor kan da signalet komme fra? Bromage mener at kilden er den samme delen av hjernen som, som allerede er kjent, setter døgnrytmrytmen, det vil si hypothalamus. Tross alt er lengden på biorytmene han studerte alltid et multiplum av en hel dag, og den biologiske klokken, som allerede er etablert, påvirker frekvensen av celledeling. Hypothalamus er i stand til å utføre denne funksjonen, så "hvorfor finne opp et annet, helt nytt instrument?" - et spørsmål oppsto i ham. Noe, kanskje et stoff som samler seg i hypothalamus, kan variere den biologiske klokken i en flerdagssyklus. Uansett hvilken del av hjernen som er ansvarlig for dette, "det er bare ment å telle," sier Bromage.
Hypothalamus gjør også en annen jobb: den regulerer hypofysen, en hormonproduserende hypofysen, hvor fronten regulerer kroppsstørrelse og baksiden regulerer varigheten av estrous syklus. Kanskje ikke tilfeldig, dette er de eneste to fysiologiske trekkene som Bromage oppdaget er direkte korrelert med varigheten av den nye biorytmen.
Bromage begynte å teste teorien sin. Hvis signalet som genereres i hjernen regulerer veksthastigheten, spekulerer Bromage, så må blodet bære spor av dette signalet.
Bromage brukte to uker på å samle seks milliliter blodprøver fra griser. Deretter overleverte han 1 700 prøver han samlet fra 33 griser til et uavhengig laboratorium for å identifisere 995 forskjellige metabolitter, biokjemiske stoffer produsert av kroppen.
Etter å ha brukt 300 tusen dollar fikk han svaret: av de 159 mest konsentrerte metabolitter med en spesifikk biologisk funksjon, reflekterte 108 døgnrytmen. Den neste hyppigste rytmen var den samme fem dagers rytmen som Bromage identifiserte i tenner og bein hos griser. Bare 55 av 159 metabolitter gikk gjennom denne syklusen, og bare i 20 falt syklusen sammen med andre rytmer.
Til sin overraskelse identifiserte Bromage to fem-dagers sykluser med tre dagers mellomrom. Den første inneholdt metabolitter assosiert med vekst, og den andre - metabolitter dannet under nedbrytningen av biologiske molekyler. Dette var fornuftig: når veksten er over, må metabolitter gjennomgå sammenbrudd for å bli tilgjengelig for prosessering i neste vekstsyklus. For et utsøkt designet system, trodde Bromage. Jeg ville aldri trodd det hvis jeg ikke hadde sett det med mine egne øyne!
Han kalte den nye biorytmen "Havers-Halberg Oscillations". Navnet er gitt til ære for Clopton Havers, som på slutten av 1600-tallet først beskrev beinlameller og det som senere skulle bli kjent som Retzius-stripene; og Franz Halberg, en kronobiolog som døde i 2013 i en alder av 93 år.
Svineproblemet
Når vi ser tilbake, innser vi at å navngi rytmen etter Halberg ikke var den smarteste avgjørelsen.
Kronobiologer er blitt ekstremt skeptiske til oppdagelsen av flerdagers biorytmer, sier Roberto Refinetti, fysiolog ved University of Boise og forfatter av en lærebok om døgnfysiologi. Og vi skylder Halberg mye for dette. Han introduserte selve konseptet "døgn". I fremtiden kunngjorde han imidlertid oppdagelsen av lengre rytmer, uten å presentere vesentlig bevis. "Han var virkelig, som han likte å si, en bredsynt mann," sa Refinetti. "Noen trodde han selv var utenfor grensene."
Refinetti prøvde (og klarte ikke) å identifisere en ukentlig rytme i blodtrykk og melkesyrekonsentrasjon hos hester. Han tror at Bromages fem-dagers rytme hos griser kan være et resultat av en menneskelig arbeidsuke, en relativt ny sosial oppfinnelse. Dessuten, sier han, kunne ingenting i miljøet ha vært en forutsetning for utviklingen av en ukentlig rytme gjennom millioner av år. Kontrast dette med døgnrytmen, som åpenbart oppsto som en reaksjon på endringen av dag og natt.
Bromage svarte at rytmene han identifiserte mest sannsynlig ikke kunne være forårsaket av arbeidsuka, fordi grisene ble holdt under konstante forhold hele tiden. Hvis Bromages teori er riktig, ville dessuten disse rytmene ikke trenge et flerdagers eksternt signal for å utvikle seg, siden de er basert på daglige timer som kan telles. Refinetti, la han til, målte sannsynligvis ikke ukentlig rytme hos hester fordi han ikke målte hele komplekset knyttet til vekst.
Når det gjelder kritikk av Halbergs data, sa Bromage at han oppkalte rytmen etter ham fordi han "forkjempet langsiktige rytmer når ingen andre på jorden tenkte på det." Men det, sier Bromage, betyr ikke at "jeg er enig i alle uttalelsene hans."
Det er vanskeligere å argumentere med statistikken i henhold til Bromages data. På grunn av kostnadene og kompleksiteten måtte eksperimentet utføres på kortere tid enn Bromage hadde håpet. Siden det var for få sykluser, kunne han ikke statistisk objektivt sjekke rytmene. I stedet fikk situasjonen ham til å anta en fem-dagers rytme, og deretter sjekke om den antagelsen var statistisk relevant. Hvis du påstår at det er en fem-dagers syklus, må du måle mange sykluser for å ha et statistisk grunnlag, sier Andrew Liu, kronobiolog ved University of Memphis.
Bromage var enig i at eksperimentet hadde sine egne feil. "Vi satte det virkelig opp," sier han. Det ville være vanskelig å måle blodet fra griser over en lengre periode: dyrene ble mer stressede og ved slutten av studien begynte de å utvikle infeksjoner. "Det var en helt ny opplevelse for alle, så den var ikke perfekt, og vi lærte mye," sier Bromage.
For å få mer nøyaktige data, planlegger han å inkludere flere sykluser i sin neste studie, der han vil måle blod i rhesus-aper (de har en rytme på fire dager) i en måned. Makaker er vant til blodprøvetaking, la han til, noe som betyr at forskere vil ta blodprøver fra dyr som ikke opplever stressrelaterte problemer som griser.
Bromage bemerket at uansett dette identifiserte han en fem-dagers rytme i en annen type molekyler som sirkulerte i grisenes blod: små RNA, og de fleste av dem med en fem-dagers syklus har også en biologisk funksjon relatert til vekst. Han synes ikke denne oppdagelsen er en tilfeldighet. "Sjansen for at dette kan skje er astronomisk liten," sier han.
To dager gammel rotte
Blodprøver er ikke den eneste måten forskere kan spore biorytmer på. Liu, fra University of Memphis, sier at hvis han hadde penger, ville han være interessert i å bestemme flerdagersrytmen hos et stort dyr ved å bruke det daglige reportergenet. Disse genene utløses av døgnrytmen og produserer et molekyl som biologer kan måle med høy presisjon i sanntid. Assosiasjonen av et slikt gen til dyrets hypothalamus kan avsløre at døgnrytmen på en eller annen måte varierer over flerdagersplanen, sier Liu. "Det er mulig," sier han, "og veldig interessant."
Selv om metabolittenes rytme er bekreftet, sier Liu og andre forskere, betyr det ikke at han er ansvarlig for kroppsstørrelse. Snarere kan det ganske enkelt gjenspeile forskjellige vekstrater hos dyr i forskjellige størrelser. Som Liu forklarte, "betyr det ikke nødvendigvis at" bare fordi du markerer noe i blodet som har rytmer, "er det grunnen.
Bromage var enig. "Dette er bare en hypotese," sa han, "det kan testes eksperimentelt." For å gjøre dette, ønsker han å utsette de dyrkede cellene, som deler seg en gang om dagen, for biologiske faktorer som kan gjøre døgnrytmen til en flerdagers rytme. Når det fungerer, sier han, vil forskere se om de kan gjøre en "hel rotte til et to dager gammelt dyr."
Andreas von Bubnoff
