Linii minuscule pe smalțul dinților dezvăluie un ritm biologic necunoscut anterior. Dacă datele sunt confirmate, această constatare îi va ajuta pe cercetători să înțeleagă de ce animalele mai mari cresc mai lent și trăiesc mai mult decât cele mai mici.
Într-o vară a anului trecut, Timothy Bromage, un paleontolog la Universitatea din New York, în timp ce era în vacanță în Cipru, mesteca cu un toc de miel. Deodată a auzit o strâmbătură. Când sunetul a fost urmat de o durere ascuțită, și-a dat seama că a rupt un dinte.
Când s-a întors la New York, medicul stomatolog i-a spus că va trebui să îndure trei luni de agonie dacă dorește să i se restaureze un dinte. - Sau dă-mi doar cinci minute, a spus medicul, și o voi scoate chiar acum.
Ștergerea preferată de Bromage. Astfel, el a fost capabil să facă o tăietură subțire a dinților, ceea ce și-a dorit să facă de câțiva ani, pentru a măsura un nou tip de bioritm, pe care l-a studiat în dinții permanenți ai mamiferelor. Acesta nu este un bioritm circadian bine studiat, ci unul mai lung, care diferă de la specii la specii, care durează de la două zile la două săptămâni. Bromage consideră că acest ritm poate stabili rata de creștere a animalelor și durata de viață a acestora.
La șobolani, bioritmul durează o zi; la macaci - patru, la oi - cinci, la oameni - de la șase la 12 zile. Bromage a confirmat această relație în zeci de alte mamifere vii și dispărute, inclusiv elefanți asiatici, care au un bioritm care durează 14 zile. (Există excepții: de exemplu, câinii nu arată această relație.)
În general, ritmul mai lent la speciile de mamifere mai mari este justificat: animalele mari cresc mai lent decât animalele mai mici, petrecând perioade mai lungi. Bromage consideră că ritmul dinților și al oaselor reflectă un semnal de creștere care stimulează rata diviziunii celulare, pe care celulele corpului primesc acest semnal la intervale regulate. Cu cât sunt mai des primite astfel de semnale, cu atât animalul crește mai repede.
Intervalul ritmic crește nu numai cu greutatea corporală, Bromage a constatat că crește cu alte caracteristici care cresc odată cu greutatea corporală, de exemplu, speranța de viață, durata lactației, ritmul metabolic, durata ciclului estros și chiar dimensiunea rinichilor. Acest lucru sugerează că prin măsurarea ritmului de creștere a unui singur dinte, chiar dacă este un animal dispărut, va fi posibilă determinarea nu numai a dimensiunii corpului său, ci și a multor alte caracteristici ale acestuia.
„Dă-mi orice dinte, orice dinte primate permanente - aruncă-mi doar, nu-mi spuneți ce este primatul - și voi reconstrui ce dimensiune a avut rinichii, cât timp a trăit, toate aceste caracteristici”, spune Bromage. „Este incredibil ce fereastră de oportunitate se deschide acest material pentru a găsi cheia vieții.”
Video promotional:
După ce a primit prestigiosul Max Planck Science Award cu un coleg în 2010, Bromage a cheltuit 750.000 de euro pentru cercetări pentru a determina dacă probele de sânge animal reflectă aceleași ritmuri ca și dinții. Cercetarea a fost costisitoare și consumă mult timp, de asemenea, deoarece șoarecii și șobolanii (căii de lucru ieftine din biologie) nu au un ritm de mai multe zile și nu pot fi folosiți ca subiecți experimentali.
Rezultatele cercetării sale, publicate în 2016, nu sunt încă suficient de solide pentru a deveni o descoperire. Mulți cronobiologi sunt sceptici în privința lor.
Dar „Ce se întâmplă dacă este la urma urmei?”, Întreabă Robin Bernstein, biolog antropolog la Universitatea Colorado din Boulder, care a studiat evoluția dimensiunii corpului și studiază acum creșterea oamenilor și primatelor non-umane. „În opinia mea, el este unul dintre acei oameni care sunt înaintea timpului său”, spune ea. "Poate că nu este nimic special aici, dar este original, într-adevăr interesant și cred că s-ar putea face multe despre asta."
Conexiuni dentare
Bromage a devenit interesat de dinți când a fost student la absolvire la mijlocul anilor '80. La vremea respectivă, oamenii de știință știau că la fel cum copacii formează inele anuale, pe emailul dinților se formează benzi de creștere zilnică. În anii 1930 și 1940, oamenii de știință japonezi le-au descoperit pe dinții câinilor, șobolanilor, porcilor și macacurilor.
Mamiferele au, de asemenea, dungi proeminente numite dungi Retzius. La ominizii timpurii studiați la acea vreme de Bromage, șapte benzi zilnice au separat fiecare linie Retzius. Nimeni nu știa cum sau de ce s-au format, dar Bromage a fost capabil să le folosească ca marker pentru a arăta că primii molari permanenți au apărut la hominizi timpurii în jurul vârstei de trei ani, precum cimpanzeii, mult mai devreme decât oamenii moderni. Aceasta a însemnat că primii hominizi nu erau doar versiuni în miniatură ale oamenilor moderni, așa cum se credea atunci, ci erau mai aproape de maimuțe.
În 1991, Bromage a confirmat că liniile lui Retzius din macaci au fost separate prin doar patru linii de creștere zilnică, spre deosebire de șapte la ominidele timpurii. Apoi, în 2000, și-a dat seama că oasele au și un model de creștere periodică. El a descoperit că dungi, numite lamele, s-au format pe oasele șobolanilor într-o singură zi. Cum ar putea fi posibil acest lucru dacă oasele umane cresc mult mai lent decât oasele de șobolan?
„Nu mi-a ieșit din cap de ani buni”, spune Bromage. Și apoi, într-o zi din 2008, a citit într-o disertație a unuia dintre studenții săi că lamelele din oasele macacii sunt formate în patru zile, adică în același mod ca liniile Retzius, pe care le-a găsit în dinții macacii în 1991. „Această amintire din 1991 mi-a venit în minte chiar în clipa în care am văzut numărul patru”, își amintește el. S-ar putea, se întreba el, ca mamiferele să aibă aceleași perioade de creștere în dinți și oase? Dacă acesta este cazul, atunci lamelele la om ar trebui să se formeze și în șapte zile, ceea ce este mult mai lung decât la șobolani, ceea ce durează doar o zi pentru a face acest lucru.
Bromage a numit această idee „o paradigmă cu totul nouă”. Până la acel moment, se credea că nu există nicio legătură între modul în care dinții și oasele cresc; oasele nu au fost niciodată gândite ca un țesut care se dezvoltă în stadii treptate, măsurabile, precum dinții și copacii. Orice legătură posibilă între rata de dezvoltare a dinților și oaselor era atât de fundamentală încât nu puteam spune nimănui nimic timp de o săptămână”, spune Bromage, chiar și soției sale. El a verificat structura histologică a oaselor și dinților în laboratorul său și a constatat că ritmurile de creștere a dinților și oaselor coincideau la macaci, oi și oameni.
Ritmul creierului
Dacă ritmurile Bromage au văzut în benzile de creștere ale dinților și oaselor mamiferelor ar fi un răspuns la un semnal de creștere, de unde ar putea veni acel semnal? Bromage consideră că sursa sa este aceeași parte a creierului care, așa cum se știe deja, stabilește bioritmul circadian, adică hipotalamusul. La urma urmei, lungimea bioritmurilor pe care le-a studiat este întotdeauna un multiplu al unei zile întregi, iar ceasul biologic, așa cum sa stabilit deja, afectează rata diviziunii celulare. Hipotalamusul este capabil să îndeplinească această funcție, așa că „de ce inventați un alt instrument complet nou?” - a apărut o întrebare în el. Ceva, poate o substanță care se acumulează în hipotalamus, poate varia ceasul biologic într-un ciclu de mai multe zile. Orice parte a creierului este responsabilă pentru acest lucru, „este doar menită să conteze”, spune Bromage.
Hipotalamusul face și o altă treabă: reglează glanda pituitară, o glandă hipofiză producătoare de hormoni, a cărei față reglează dimensiunea corpului, iar spatele reglează durata ciclului estros. Poate nu întâmplător, acestea sunt singurele două trăsături fiziologice pe care Bromage descoperite sunt corelate direct cu durata noului bioritm.
Bromage a început să-și testeze teoria. Dacă semnalul generat în creier reglează rata de creștere, Bromage a speculat, atunci sângele trebuie să poarte urme ale acestui semnal.
Bromage a petrecut două săptămâni colectând șase mililitri de probe de sânge de la porci. Apoi a predat 1.700 de probe pe care le-a recoltat de la 33 de porci la un laborator independent pentru a identifica 995 de metaboliți diferiți, substanțe biochimice produse de organism.
După ce a cheltuit 300 de mii de dolari, a primit răspunsul: dintre cei 159 cei mai concentrați metaboliți cu o funcție biologică specifică, 108 reflectau ritmul circadian. Următorul ritm cel mai frecvent a fost același ritm de cinci zile pe care Bromage l-a identificat în dinții și oasele porcilor. Doar 55 din 159 metaboliți au trecut prin acest ciclu și doar în 20 ciclul a coincis cu alte ritmuri.
Spre surprinderea sa, Bromage a identificat două cicluri de cinci zile la trei zile distanță. Primul conținea metaboliți asociați cu creșterea, iar al doilea - metaboliți formați în timpul descompunerii moleculelor biologice. Acest lucru a avut sens: atunci când creșterea se încheie, metaboliții trebuie să fie supuși unei defalcări pentru a deveni disponibili pentru prelucrare în următorul ciclu de creștere. Ce sistem deosebit de proiectat, se gândea Bromage. Nu l-aș fi crezut niciodată dacă nu l-aș fi văzut cu proprii mei ochi!
El a numit noul bioritm „Oscilări Havers-Halberg”. Numele este dat în onoarea lui Clopton Havers, care, la sfârșitul secolului al XVII-lea, a descris pentru prima dată lamele osoase și ceea ce ulterior va deveni cunoscut sub numele de dungi Retzius; și Franz Halberg, un cronobiolog care a murit în 2013 la vârsta de 93 de ani.
Problema porcului
Privind în urmă, ne dăm seama că numirea ritmului după Halberg nu a fost cea mai inteligentă decizie.
Cronobiologii au devenit extrem de sceptici cu privire la descoperirea bioritmurilor de mai multe zile, spune Roberto Refinetti, fiziolog la Universitatea din Boise și autor al unui manual despre fiziologia circadiană. Și datorăm mult lui Halberg acest lucru. A introdus însăși conceptul de „circadian”. Cu toate acestea, în viitor, el a anunțat descoperirea unor ritmuri mai lungi, fără a prezenta dovezi substanțiale. "A fost cu adevărat, așa cum îi plăcea să spună, un om cu minte largă", a spus Refinetti. "Unii au crezut că este chiar în afara limitelor."
Refinetti însuși a încercat (și nu a reușit) să identifice un ritm săptămânal în tensiunea arterială și concentrația de acid lactic la cai. El crede că ritmul de cinci zile al lui Bromage la porci poate fi rezultatul unei săptămâni de lucru umane, o invenție socială relativ nouă. Mai mult, spune el, nimic din mediu nu ar fi putut fi o condiție necesară pentru dezvoltarea ritmului săptămânal pe parcursul a milioane de ani. Contrastați acest lucru cu ritmul circadian, care a apărut, evident, ca reacție la schimbarea zilei și a nopții.
Bromage a răspuns că ritmurile pe care le-a identificat cel mai probabil nu ar putea fi cauzate de săptămâna de lucru, deoarece porcii au fost menținuți în condiții constante tot timpul. Mai mult, dacă teoria lui Bromage este corectă, atunci aceste ritmuri nu ar avea nevoie de un semnal extern de mai multe zile pentru a se dezvolta, deoarece acestea se bazează pe ore zilnice care pot fi numărate. Refinetti, a adăugat el, probabil că nu a măsurat ritmul săptămânal la cai pentru că nu a măsurat întregul complex asociat cu creșterea.
În ceea ce privește criticile cu privire la datele lui Halberg, Bromage a spus că a numit ritmul după el, deoarece „a campionat ritmurile pe termen lung când nimeni altcineva de pe pământ nu s-a gândit la asta”. Dar asta, spune Bromage, nu înseamnă „sunt de acord cu toate afirmațiile sale”.
Este mai dificil să ne certăm, probabil, cu statisticile conform datelor Bromage. Datorită costurilor și complexității, experimentul a trebuit să fie efectuat într-un interval de timp mai scurt decât sperase Bromage. Întrucât erau prea puține cicluri, el nu a putut verifica statistic ritmurile obiectiv. În schimb, situația l-a determinat să-și asume un ritm de cinci zile și apoi să verifice dacă această presupunere era relevantă statistic. Dacă susțineți că există un ciclu de cinci zile, trebuie să măsurați multe cicluri pentru a avea o bază statistică, spune Andrew Liu, cronobiolog la Universitatea din Memphis.
Bromage a fost de acord că experimentul are propriile sale defecte. „Am rezolvat-o cu adevărat”, spune el. Ar fi dificil să se măsoare sângele porcilor pe o perioadă mai lungă: animalele au devenit mai stresate și la sfârșitul studiului au început să dezvolte infecții. „A fost o experiență cu totul nouă pentru toată lumea, așa că nu a fost perfectă și am învățat multe”, spune Bromage.
Pentru a obține date mai exacte, el intenționează să includă mai multe cicluri în următorul său studiu, timp în care va măsura sângele în maimuțele rhesus (au un ritm de patru zile) timp de o lună. Macacii sunt obișnuiți cu prelevarea de sânge, a adăugat el, ceea ce înseamnă că oamenii de știință vor lua probe de sânge de la animale care nu prezintă probleme legate de stres precum porcii.
Bromage a menționat că, indiferent de acest aspect, el a identificat un ritm de cinci zile într-un alt tip de molecule care circulă în sângele porcilor: ARN-uri mici și majoritatea celor cu un ciclu de cinci zile au, de asemenea, o funcție biologică legată de creștere. Nu crede că această descoperire este o coincidență. „Șansa ca acest lucru să se întâmple este mic din punct de vedere astronomic”, spune el.
Șobolan vechi de două zile
Testele de sânge nu sunt singurul mod în care oamenii de știință pot urmări bioritmurile. Liu, de la Universitatea din Memphis, spune că, dacă ar avea bani, ar fi interesat să determine ritmul de mai multe zile la un animal mare, folosind gena reporterului zilnic. Aceste gene sunt declanșate de ritmul circadian și produc o moleculă pe care biologii o pot măsura cu precizie înaltă în timp real. Asocierea unei astfel de gene cu hipotalamusul animalului poate dezvălui că ritmul circadian diferă cumva în funcție de programul de mai multe zile”, spune Liu. „Este realizabil”, spune el, „și foarte interesant”.
Cu toate acestea, chiar dacă ritmul metaboliților este confirmat, Liu și alți oameni de știință spun, acest lucru nu înseamnă că el este responsabil pentru mărimea corpului. Mai degrabă, poate reflecta pur și simplu diferite rate de creștere la animale de diferite dimensiuni. După cum a explicat Liu, „doar pentru că marcați ceva în sângele care are ritmuri nu înseamnă neapărat”, acesta este motivul.
Bromage a fost de acord. "Aceasta este doar o ipoteză", a spus el. "Poate fi testată experimental." Pentru a face acest lucru, el vrea să supună celulele crescute, împărțind o dată pe zi, la factori biologici care ar putea transforma ritmul circadian într-un ritm de mai multe zile. Odată ce acesta va funcționa, spune el, oamenii de știință vor vedea dacă pot transforma un „șobolan întreg într-un animal vechi de două zile”.
Andreas von Bubnoff
