A fogzománc apró vonalai korábban ismeretlen biológiai ritmust mutatnak. Ha az adatokat megerősítik, ez a megállapítás segít a kutatóknak megérteni, hogy a nagyobb állatok miért lassabban növekednek és hosszabb ideig élnek, mint a kisebbek.
Tavaly egy nyáron Timothy Bromage, a New York-i Egyetem paleontológusa, miközben Cipruson vakációzott, bárányhúsra rágott. Hirtelen remegést hallott. Amikor a hangot éles fájdalom követte, rájött, hogy eltört egy foga.
Amikor visszatért New York-ba, fogorvosa azt mondta neki, hogy három hónapos fájdalmat kell elbocsátania, ha a foga helyreállítani akarja. - Vagy adj nekem csak öt percet - mondta az orvos -, és azonnal kihúzom.
Bromage preferált deléció. Így képes volt egy vékony fogazatot elvágni, amit évek óta akart csinálni egy új típusú bioritmus mérésére, amelyet az emlősök állandó fogain tanulmányozott. Ez nem egy jól megvizsgált cirkadián bioritmus, hanem hosszabb, fajonként eltérő, két naptól két hétig tartó. Bromage szerint ez a ritmus meghatározhatja az állatok növekedési ütemét és élettartamát.
Patkányokban a bioritmus egy napig tart; makákókban - négy, juhokban - öt, emberben - 6–12 nap. Bromage megerősítette ezt a kapcsolatot több tucat más élő és kihalt emlősben, köztük az ázsiai elefántokban, amelyek bioritmusa 14 napig tart. (Kivételek vannak: például a kutyák nem mutatják ezt a kapcsolatot.)
Általában a nagyobb emlős fajoknál a lassabb ritmus indokolt: a nagy állatok lassabban nőnek, mint a kisebb állatok, hosszabb időt töltve. Bromage úgy véli, hogy a fogak és a csontok ritmusa növekedési jelet tükröz, amely serkenti a sejtosztódást, amelyet a test sejtjei rendszeres időközönként kapnak. Minél gyakrabban fogadnak ilyen jeleket, annál gyorsabban nő az állat.
A ritmikus intervallum nemcsak a testtömeggel növekszik, Bromage úgy találta, hogy az egyéb jellemzőkkel együtt növekszik, amelyek növekednek a testtömeg mellett, például a várható élettartammal, a szoptatás időtartamával, az anyagcserével, az ösztruszos ciklus időtartamával és akár a vesék méretével is. Ez azt sugallja, hogy egy foga, akár a kihalt állat növekedési ritmusának mérésével nem csak a test méretét, hanem számos egyéb tulajdonságát is meg lehet határozni.
"Adj nekem bármilyen fogat, bármilyen állandó főemlős fogat - csak dobja nekem, ne mondja el, hogy mi ez a főemlős -, és rekonstruálom, hogy milyen méretű vesék voltak, mennyi ideig éltek, és mindezen tulajdonságokkal" - mondja Bromage. Hihetetlen, hogy milyen lehetőséget kínál ez az anyag az élet kulcsa megtalálásának."
Promóciós videó:
Miután egy kollégájával 2010-ben megkapta a rangos Max Planck Tudományos Díjat, Bromage 750 000 eurót költött kutatásra annak meghatározására, hogy az állati vérminták ugyanazt a ritmust tükrözik-e, mint a fogak. A kutatás drága és időigényes volt, még azért is, mert az egerek és patkányok (a biológia olcsó munka lóinak) nincs több napos ritmusuk, és nem használhatók kísérleti alanyokként.
2016-ban közzétett kutatása eredményei még nem elég szilárdak ahhoz, hogy felfedezéské válhassanak. Sok kronobiológus szkeptikusan reagál rájuk.
De „Mi van, ha végül is igaz?” - kérdezi Robin Bernstein, a Boulder-i Colorado Egyetem antropológusa biológusa, aki a testméret alakulását vizsgálta, és most az emberek és a főemlősök növekedését vizsgálja. "Véleményem szerint ő egyike azoknak, akik megelőzik az idejét" - mondja. "Lehet, hogy itt nincs semmi különös, de eredeti, nagyon érdekes, és azt hiszem, hogy sok mindent megtehetünk érte."
Fogászati kapcsolatok
Bromage a fogak iránt érdeklődött, amikor végzős hallgató volt az 1980-as évek közepén. Abban az időben a tudósok tudták, hogy amint a fák éves gyűrűket képeznek, a fogzománcon napi növekedési csíkok is kialakulnak. Az 1930-as és 1940-es években a japán tudósok kutyák, patkányok, sertések és makákók fogain fedezték fel őket.
Az emlősöknek is vannak kiemelkedő csíkok, úgynevezett Retzius csíkok. A korai hominidekben, amelyeket akkoriban a Bromage vizsgált, hét napi sáv választotta el az egyes Retzius-származékokat. Senki sem tudta, hogyan és miért alakulnak ki, de Bromage képes volt őket markerként használni, hogy megmutassa, hogy az első állandó molarák három éves korukban, például a csimpánzoknál jelentkeztek a korai hominidekben, sokkal korábban, mint a modern emberek. Ez azt jelentette, hogy a korai hominidek nemcsak a modern emberek miniatűr változatai voltak, ahogyan azt akkor is hitték, hanem inkább a majmok felé.
1991-ben Bromage megerősítette, hogy a Retzius vonalait a makákókban csak négy napi növekedési vonal választja el, szemben a hét korai hominidumokkal. Aztán 2000-ben rájött, hogy a csontoknak is periodikus növekedése van. Megállapította, hogy lamelláknak nevezett csíkok csak egy nap alatt képződnek a patkányok csontain. Hogyan lehet ez lehetséges, ha az emberi csontok sokkal lassabban növekednek, mint a patkányok?
„Évek óta nem ment ki a fejemből” - mondja Bromage. Aztán 2008-ban egy napon egy diákjának disszertációjában elolvasta, hogy a makákók csontjaiban négy nap alatt képződnek lamellák, azaz ugyanúgy, mint a Retzius vonalakkal, amelyeket 1991-ben találtak a makákók fogain. "Ez az 1991-es emlékezet jutott eszembe a második pillanatban, amikor láttam a negyedik számot" - emlékszik vissza. Kíváncsi lehet-e arra, hogy az emlősöknek a fogakban és a csontokban azonos növekedési periódusuk van? Ha ez a helyzet, akkor az emberben a lamelláknak hét nap alatt is kialakulniuk kell, ami sokkal hosszabb, mint patkányoknál, ehhez csak egy nap szükséges.
Bromage ezt az ötletet "teljesen új paradigmának" nevezte. Addig az időig azt hitték, hogy nincs kapcsolat a fogak és a csontok növekedése között; A csontokat soha nem tekintették olyan szöveteknek, amelyek fokozatosan mérhető szakaszokban alakulnak ki, mint például a fogak és a fák. A fogak és a csontok fejlődése közötti esetleges kapcsolat annyira alapvető volt, hogy egy hétig senkinek semmit nem tudtam elmondani - mondja Bromage, még a feleségének is. A laboratóriumában megvizsgálta a csontok és a fogak szövettani szerkezetét, és megállapította, hogy a fogak és a csontok növekedési ritmusa megegyezik a makákókban, juhokban és emberekben.
Az agy ritmusa
Ha a Bromage által látott ritmusok az emlősök fogainak és csontok növekedési sávjaiban reagálnak a növekedési jelre, honnan származhat ez a jel? Bromage úgy véli, hogy forrása az agynak ugyanaz a része, amely, mint már ismert, meghatározza a cirkadián bioritmusot, azaz a hipotalamust. Végül is a vizsgált bioritmusok hossza mindig egy egész nap többszörösét képezi, és a biológiai óra, amint azt már megállapítottuk, befolyásolja a sejtosztódás sebességét. A hipotalamusz képes ellátni ezt a funkciót, tehát „miért találna ki egy teljesen új eszközt?” - kérdezte. Valami, esetleg olyan anyag, amely felhalmozódik a hipotalamuszba, változtathatja a biológiai órát egy többnapos ciklusban. Bármelyik agyi rész felelős is azért, "azt csak számolni kell" - mondja Bromage.
A hipotalamusz egy másik munkát is végez: szabályozza az agyalapi mirigyet, egy hormontermelő hipofízist, amelynek elülső része szabályozza a test méretét, és hátulja szabályozza az ösztrózus ciklus időtartamát. Talán nem véletlenszerűen, ez az egyetlen két élettani tulajdonság, amelyekről Bromage talált közvetlen kapcsolatot az új bioritmus időtartamával.
Bromage elmélete tesztelésére kezdett. Ha az agyban generált jel szabályozza a növekedés sebességét, Bromage spekulált, akkor a vérnek hordoznia kell ennek a jelnek a nyomát.
Bromage két hétig töltött hat milliliter vérmintát sertésekből. Aztán 1700 mintát gyűjtött össze 33 sertésből, amelyet 33 sertésből gyűjtött egy független laboratóriumba, hogy azonosítsa a test által termelt 995 különféle metabolitot, biokémiai anyagot.
300 ezer dollár kiadása után megkapta a választ: a 159 legkoncentráltabb specifikus biológiai funkcióval bíró metabolitból 108 tükrözi a cirkadián ritmust. A következő leggyakoribb ritmus ugyanaz az ötnapos ritmus volt, amelyet Bromage azonosított a sertések fogain és csontainál. A 159 metabolitból csak 55 ment át ezen a cikluson, és csak 20-ban a ciklus egybeesett más ritmusokkal.
Meglepetésére Bromage két ötnapos ciklust azonosított három napos intervallummal. Az első a növekedéshez kapcsolódó metabolitokat, a második pedig a biológiai molekulák lebontásakor képződött metabolitokat tartalmazta. Ennek értelme volt: amikor a növekedés véget ért, a metabolitoknak le kell bontódniuk, hogy feldolgozásra kerüljenek a következő növekedési ciklusban. Milyen remekül megtervezett rendszer - gondolta Bromage. Soha nem hittem volna volna el, ha nem láttam volna a saját szemmel!
Az új bioritmust "Havers-Halberg oszcillációk" -nak nevezte el. A nevet Clopton Havers tiszteletére adták, aki a 17. század végén először a csontok lamelláit és a később Retzius csíkokként ismertté vált leírását írta le; és Franz Halberg, a kronobiológus, aki 2013-ban 93 éves korában halt meg.
A sertésprobléma
Visszatekintve a ritmus Halberg utáni elnevezése nem volt a legokosabb döntés.
A kronobiológusok rendkívül szkeptikussá váltak a többnapos bioritmusok felfedezésében - mondja Roberto Refinetti, a Boise-i Egyetem élettani szakértője, aki a cirkadián élettani tankönyv szerzője. És sokat tartozunk Halbergnek ennek. Bemutatta a "cirkadiánus" fogalmát. A jövőben azonban bejelentette, hogy hosszabb ritmusokat fedez fel, anélkül, hogy lényeges bizonyítékot szolgáltatna. "Ő valóban, amint szerette volna mondani, széles gondolkodású ember volt," mondta Refinetti. "Egyesek úgy gondolták, hogy ő még mindig túl van a határokon."
Maga Refinetti megpróbálta (és nem sikerült) azonosítani a lovak heti ritmusát a vérnyomásban és a tejsav-koncentrációban. Úgy véli, hogy a Bromage sertések ötnapos ritmusának eredménye lehet egy emberi munka hét, egy viszonylag új társadalmi találmány eredménye. Sőt, elmondja, hogy a környezetben semmi sem lehetett előfeltétele a heti ritmus fejlődésének millió évek során. Ellentétben áll a cirkadián ritmussal, amely nyilvánvalóan a nappali és az éjszakai változás reakciójaként merült fel.
Bromage azt válaszolta, hogy az általa azonosított ritmust valószínűleg nem okozhatja a munkahét, mert a sertéseket állandó körülmények között tartják. Sőt, ha Bromage elmélete helyes, akkor ezeknek a ritmusoknak nem lenne szükségük többnapos külső jel továbbfejlesztésére, mivel a napi órák alapján számolhatók. Refinetti - tette hozzá - valószínűleg nem mérte a heti ritmust a lovakban, mert nem a teljes növekedéshez kapcsolódó komplexet, hanem az egészet is mérte.
Halberg adatainak kritikája kapcsán Bromage elmondta, hogy az ő nevében adott ritmust azért nevezi, mert "hosszú távú ritmusokat vívott ki, amikor a földön senki más nem gondolt rá". De ez, mondja Bromage, nem azt jelenti, hogy "egyetértek minden állításával".
A Bromage adatai szerint talán nehezebb vitatkozni a statisztikákkal. A költségek és az összetettség miatt a kísérletet rövidebb időkereten kellett elvégezni, mint ahogy Bromage remélt. Mivel túl kevés volt a ciklus, statisztikailag nem tudta objektíven ellenőrizni a ritmust. Ehelyett a helyzet arra késztette őt, hogy vállaljon egy ötnapos ritmust, majd ellenőrizze, hogy ez a feltételezés statisztikailag releváns-e. Ha öt napos ciklust igényel, akkor statisztikai alapokból sok ciklust meg kell mérnie - mondja Andrew Liu, a Memphis Egyetem kronobiológusa.
Bromage egyetértett abban, hogy a kísérletnek megvannak a maga hibái. "Tényleg felgyorsítottuk" - mondja. A sertések vérének mérése hosszabb ideig nehéz lenne: az állatok stresszt kaptak, és a vizsgálat végére fertőzéseket kezdtek kialakítani. "Teljesen új élmény volt mindenki számára, tehát nem volt tökéletes és sokat tanultunk" - mondja Bromage.
A pontosabb adatok megszerzése érdekében több ciklust tervez beépíteni a következő tanulmányába, amelynek során egy hónapig mérni fogja a rhesus majmok vérét (négy nap ritmusukban). A makákók megszokták a vérvételt - tette hozzá, hogy a tudósok vérmintákat vesznek olyan állatoktól, amelyek nem tapasztalnak stressz okozta problémákat, például sertéseket.
Bromage megjegyezte, hogy ettől függetlenül egy ötnapos ritmust azonosított a sertések vérében keringő másik típusú molekulákban: a kis RNS-ek, és a legtöbb öt napos ciklusúakban a növekedéshez kapcsolódó biológiai funkció is van. Nem gondolja, hogy ez a felfedezés véletlen. "Csillagászati szempontból kicsi az esély, hogy ez megtörténhet" - mondja.
Két napos patkány
A vérvizsgálatok nem csak a tudósok képesek nyomon követni a bioritmusokat. Liu, a Memphis-i Egyetemen azt mondja, hogy ha pénze lenne, érdekli, ha a napi riporter gén segítségével meghatározza a többnapos ritmust egy nagy állatban. Ezeket a géneket a cirkadián ritmus váltja ki, és olyan molekulát állítanak elő, amelyet a biológusok valós időben nagy pontossággal mérhetnek. Egy ilyen génnek az állat hipotalamuszához való társulása felfedheti, hogy a cirkadián ritmus a többnapos ütemezés során valamilyen módon változik”- mondja Liu. "Ez kivitelezhető - mondja -, és nagyon érdekes."
Liu és más tudósok szerint még a metabolitok ritmusának megerősítése sem jelenti azt, hogy ő felelős a testméretért. Inkább egyszerűen tükrözi a különböző növekedési rátákat különböző méretű állatokban. Mint Liu elmagyarázta: "csak azért, mert valamit vérben megjelölsz, amelynek ritmusa nem feltétlenül jelenti", ez az oka.
Bromage egyetértett. "Ez csak egy hipotézis," mondta. "Kísérletileg tesztelhető." Ehhez azt akarja, hogy a megnövekedett sejteket, naponta egyszer osztva, olyan biológiai tényezőknek tegye ki, amelyek a cirkadián ritmust több napos ritmussá változtathatják. Amint ez működni fog, azt mondják, a tudósok meg fogják vizsgálni, hogy képesek-e "egész patkányt kétnapos állattá" alakítani.
Andreas von Bubnoff