Zęby Mogą Odkryć Tajemnicę Wielodniowego Zegara Biologicznego - Alternatywny Widok

Spisu treści:

Zęby Mogą Odkryć Tajemnicę Wielodniowego Zegara Biologicznego - Alternatywny Widok
Zęby Mogą Odkryć Tajemnicę Wielodniowego Zegara Biologicznego - Alternatywny Widok

Wideo: Zęby Mogą Odkryć Tajemnicę Wielodniowego Zegara Biologicznego - Alternatywny Widok

Wideo: Zęby Mogą Odkryć Tajemnicę Wielodniowego Zegara Biologicznego - Alternatywny Widok
Wideo: Skąd się biorą dziury w zębach? Jak powstaje próchnica? 2024, Marzec
Anonim

Drobne linie na szkliwie zębów ujawniają nieznany wcześniej rytm biologiczny. Jeśli dane zostaną potwierdzone, odkrycie to pomoże naukowcom zrozumieć, dlaczego większe zwierzęta rosną wolniej i żyją dłużej niż mniejsze.

Pewnego lata zeszłego roku Timothy Bromage, paleontolog z Uniwersytetu Nowojorskiego, podczas wakacji na Cyprze żuł kotlet jagnięcy. Nagle usłyszał chrzęst. Kiedy po dźwięku nastąpił ostry ból, zdał sobie sprawę, że złamał ząb.

Kiedy wrócił do Nowego Jorku, dentysta powiedział mu, że będzie musiał znosić trzy miesiące agonii, jeśli chce odzyskać ząb. „Albo daj mi tylko pięć minut” - powiedział lekarz - „a wyciągnę to teraz”.

Preferowana delecja Bromage. W ten sposób był w stanie wykonać cienki odcinek zęba, co chciał zrobić od kilku lat, aby zmierzyć nowy rodzaj biorytmu, który badał w zębach stałych ssaków. Nie jest to dobrze zbadany biorytm dobowy, ale dłuższy, różniący się w zależności od gatunku, trwający od dwóch dni do dwóch tygodni. Bromage uważa, że ten rytm może wyznaczać tempo wzrostu zwierząt i długość ich życia.

U szczurów biorytm trwa jeden dzień; u makaków - cztery, u owiec - pięć, u ludzi - od sześciu do 12 dni. Bromage potwierdził ten związek u dziesiątek innych żywych i wymarłych ssaków, w tym słoni azjatyckich, których biorytm trwa 14 dni. (Są wyjątki: na przykład psy nie wykazują tego związku).

Ogólnie rzecz biorąc, wolniejszy rytm u większych gatunków ssaków jest uzasadniony: duże zwierzęta rosną wolniej niż mniejsze zwierzęta, spędzając dłuższe okresy. Bromage uważa, że rytm zębów i kości odzwierciedla sygnał wzrostu, który stymuluje tempo podziałów komórkowych, które komórki organizmu otrzymują w regularnych odstępach czasu. Im częściej takie sygnały są odbierane, tym szybciej zwierzę rośnie.

Interwał rytmiczny zwiększa się nie tylko wraz z masą ciała, Bromage odkrył, że zwiększa się wraz z innymi cechami, które rosną wraz z masą ciała, na przykład oczekiwaną długością życia, czasem laktacji, tempem metabolizmu, czasem trwania cyklu rujowego, a nawet wielkością nerek. Sugeruje to, że mierząc tempo wzrostu tylko jednego zęba, nawet jeśli jest to wymarłe zwierzę, będzie można określić nie tylko wielkość jego ciała, ale także wiele innych cech.

„Daj mi jakikolwiek ząb, jakikolwiek stały ząb naczelnych - po prostu rzuć mi go, nie mów mi, jaki to naczelny - a zrekonstruuję, jaki rozmiar miał nerki, jak długo żył i wszystkie te cechy” - mówi Bromage. „To niewiarygodne, jak wielkie możliwości otwiera ten materiał, aby znaleźć klucz do życia”.

Film promocyjny:

Po otrzymaniu prestiżowej nagrody naukowej Maxa Plancka wraz z kolegą w 2010 roku, Bromage wydał 750 000 euro na badania mające na celu ustalenie, czy próbki krwi zwierzęcej odzwierciedlają ten sam rytm co zęby. Badania były kosztowne i czasochłonne, także dlatego, że myszy i szczury (tanie biologiczne konie robocze) nie mają wielodniowego rytmu i nie mogą być wykorzystywane jako obiekty eksperymentalne.

Wyniki jego badań, opublikowane w 2016 roku, nie są jeszcze na tyle solidne, aby stały się odkryciem. Wielu chronobiologów odnosi się do nich sceptycznie.

Ale „A co, jeśli mimo wszystko ma rację?” - pyta Robin Bernstein, biolog antropolog z University of Colorado w Boulder, który badał ewolucję rozmiarów ciała i obecnie bada wzrost ludzi i naczelnych. „Moim zdaniem jest jedną z tych osób, które wyprzedzają swoje czasy” - mówi. „Może nie ma tu nic specjalnego, ale jest oryginalny, naprawdę interesujący i myślę, że można wiele z tym zrobić”.

Połączenia dentystyczne

Bromage zainteresował się zębami, gdy był absolwentem w połowie lat 80-tych. W tamtym czasie naukowcy wiedzieli, że tak jak drzewa tworzą roczne słoje, na szkliwie zębów powstają codzienne smugi wzrostu. W latach trzydziestych i czterdziestych XX wieku japońscy naukowcy odkryli je na zębach psów, szczurów, świń i makaków.

Ssaki mają również wydatne pręgi zwane paskami Retziusa. We wczesnych hominidach badanych w tym czasie przez Bromage, siedem dziennych prążków oddzielało każdą linię Retzius. Nikt nie wiedział, jak i dlaczego powstały, ale Bromage był w stanie użyć ich jako markera do wykazania, że pierwsze trwałe zęby trzonowe pojawiły się u wczesnych hominidów w wieku około trzech lat, podobnie jak szympansy, znacznie wcześniej niż współcześni ludzie. Oznaczało to, że wczesne hominidy były nie tylko miniaturowymi wersjami współczesnych ludzi, jak wtedy uważano, ale były bliższe małpom.

W 1991 roku Bromage potwierdził, że linie Retziusa u makaków były oddzielone tylko czterema liniami wzrostu dziennie, w przeciwieństwie do siedmiu linii u wczesnych hominidów. Następnie, w 2000 roku, zdał sobie sprawę, że kości również wykazują okresowy wzrost. Odkrył, że paski, zwane blaszkami, utworzyły się na kościach szczurów w ciągu zaledwie jednego dnia. Jak to możliwe, skoro ludzkie kości rosną znacznie wolniej niż kości szczura?

„Od lat nie wychodzi mi to z głowy” - mówi Bromage. A potem pewnego dnia w 2008 roku przeczytał w rozprawie jednego ze swoich studentów, że blaszki w kościach makaków powstają w ciągu czterech dni, czyli w taki sam sposób, jak linie Retzius, które znalazł w zębach makaków w 1991 roku. „To wspomnienie z 1991 roku przyszło mi do głowy w chwili, gdy zobaczyłem cyfrę cztery” - wspomina. Czy to możliwe, zastanawiał się, że ssaki mają takie same okresy wzrostu zębów i kości? W takim przypadku blaszki u ludzi powinny również tworzyć się w ciągu siedmiu dni, czyli znacznie dłużej niż u szczurów, co zajmuje tylko jeden dzień.

Bromage nazwał ten pomysł „zupełnie nowym paradygmatem”. Do tego czasu uważano, że nie ma związku między wzrostem zębów i kości; kości nigdy nie były uważane za tkankę, która rozwija się w stopniowych, mierzalnych stadiach, jak zęby i drzewa. Ewentualny związek między tempem rozwoju zębów i kości był tak fundamentalny, że przez tydzień nie mogłem nikomu nic powiedzieć”- mówi Bromage, nawet swojej żonie. W swoim laboratorium sprawdził strukturę histologiczną kości i zębów i odkrył, że rytmy wzrostu zębów i kości rzeczywiście zbiegają się u makaków, owiec i ludzi.

Rytm mózgu

Jeśli rytmy, które Bromage widział w pasmach wzrostu zębów i kości ssaków, były odpowiedzią na sygnał wzrostu, skąd mógł pochodzić ten sygnał? Bromage uważa, że jego źródłem jest ta sama część mózgu, która, jak już wiadomo, ustala biorytm okołodobowy, czyli podwzgórze. W końcu długość badanych przez niego biorytmów jest zawsze wielokrotnością całego dnia, a zegar biologiczny, jak już ustalono, wpływa na szybkość podziału komórek. Podwzgórze może pełnić tę funkcję, więc „po co wymyślać inny, zupełnie nowy instrument?” - pojawiło się w nim pytanie. Coś, być może substancja gromadząca się w podwzgórzu, może zmieniać zegar biologiczny w cyklu wielodniowym. Niezależnie od tego, która część mózgu jest za to odpowiedzialna, „to po prostu liczy się” - mówi Bromage.

Podwzgórze pełni również inną funkcję: reguluje przysadkę mózgową, przysadkę mózgową wytwarzającą hormony, której przód reguluje wielkość ciała, a tył reguluje czas trwania cyklu rujowego. Być może nie jest to przypadek, ale są to jedyne dwie fizjologiczne cechy, które Bromage znalazł bezpośrednio w korelacji z czasem trwania nowego biorytmu.

Bromage zaczął testować swoją teorię. Jeśli sygnał generowany w mózgu reguluje tempo wzrostu, spekulował Bromage, to krew musi nosić ślady tego sygnału.

Bromage spędził dwa tygodnie, zbierając sześć mililitrów próbek krwi od świń. Następnie przekazał ponad 1700 próbek, które zebrał od 33 świń do niezależnego laboratorium w celu zidentyfikowania 995 różnych metabolitów, substancji biochemicznych wytwarzanych przez organizm.

Po wydaniu 300 tysięcy dolarów otrzymał odpowiedź: ze 159 najbardziej stężonych metabolitów o określonej funkcji biologicznej 108 odzwierciedlało rytm dobowy. Kolejnym najczęściej występującym rytmem był ten sam pięciodniowy rytm, który Bromage zidentyfikował w zębach i kościach świń. Tylko 55 ze 159 metabolitów przeszło przez ten cykl, a tylko w 20 cykl pokrywał się z innymi rytmami.

Ku jego zaskoczeniu Bromage zidentyfikował dwa pięciodniowe cykle w odstępie trzech dni. Pierwsza zawierała metabolity związane ze wzrostem, a druga - metabolity powstałe podczas rozpadu cząsteczek biologicznych. Miało to sens: po zakończeniu wzrostu metabolity muszą ulec rozkładowi, aby stały się dostępne do przetworzenia w następnym cyklu wzrostu. Cóż za znakomicie zaprojektowany system, pomyślał Bromage. Nigdy bym w to nie uwierzył, gdybym nie zobaczył go na własne oczy!

Nazwał nowy biorytm „Oscylacje Haversa-Halberga”. Nazwa została nadana na cześć Cloptona Haversa, który pod koniec XVII wieku jako pierwszy opisał blaszki kostne i to, co później stało się znane jako paski Retziusa; oraz Franz Halberg, chronobiolog, który zmarł w 2013 roku w wieku 93 lat.

Problem świń

Patrząc wstecz, zdajemy sobie sprawę, że nazwanie rytmu imieniem Halberga nie było najmądrzejszą decyzją.

Chronobiolodzy stali się niezwykle sceptyczni co do odkrycia biorytmów trwających kilka dni - mówi Roberto Refinetti, fizjolog z Uniwersytetu Boise i autor podręcznika na temat fizjologii okołodobowej. Wiele zawdzięczamy za to Halbergowi. Wprowadził samą koncepcję „okołodobowego”. Jednak w przyszłości zapowiedział odkrycie dłuższych rytmów, nie przedstawiając merytorycznych dowodów. „Był naprawdę, jak zwykł mawiać, człowiekiem o szerokich horyzontach” - powiedział Refinetti. „Niektórzy myśleli, że był nawet poza zasięgiem”.

Sam Refinetti próbował (bezskutecznie) zidentyfikować tygodniowy rytm ciśnienia krwi i stężenia kwasu mlekowego u koni. Uważa, że pięciodniowy rytm Bromage u świń może być wynikiem tygodnia pracy człowieka, stosunkowo nowego wynalazku społecznego. Co więcej, mówi, nic w środowisku nie mogło być warunkiem wstępnym rozwoju tygodniowego rytmu przez miliony lat. Porównaj to z rytmem dobowym, który oczywiście powstał jako reakcja na zmianę dnia i nocy.

Bromage odpowiedział, że rytmy, które zidentyfikował, najprawdopodobniej nie mogły być spowodowane tygodniem pracy, ponieważ świnie były cały czas trzymane w stałych warunkach. Co więcej, jeśli teoria Bromage jest poprawna, to te rytmy nie wymagałyby wielodniowego zewnętrznego sygnału, aby się rozwinąć, ponieważ są oparte na dziennych godzinach, które można policzyć. Dodał, że Refinetti prawdopodobnie nie mierzył tygodniowego rytmu u koni, ponieważ nie mierzył całego kompleksu związanego ze wzrostem.

Jeśli chodzi o krytykę danych Halberga, Bromage powiedział, że nazwał rytm jego imieniem, ponieważ „był orędownikiem długoterminowych rytmów, kiedy nikt inny na świecie o tym nie myślał”. Ale to, mówi Bromage, nie oznacza „Zgadzam się ze wszystkimi jego stwierdzeniami”.

Być może trudniej jest polemizować ze statystykami według danych Bromage. Ze względu na koszt i złożoność eksperyment musiał zostać przeprowadzony w krótszych ramach czasowych, niż miał nadzieję Bromage. Ponieważ było zbyt mało cykli, nie mógł obiektywnie statystycznie sprawdzić rytmów. Zamiast tego sytuacja skłoniła go do przyjęcia pięciodniowego rytmu, a następnie sprawdzenia, czy to założenie jest statystycznie istotne. Jeśli twierdzisz, że istnieje cykl pięciodniowy, musisz zmierzyć wiele cykli, aby mieć podstawę statystyczną - mówi Andrew Liu, chronobiolog z University of Memphis.

Bromage zgodził się, że eksperyment miał swoje wady. „Naprawdę przyspieszyliśmy” - mówi. Trudno byłoby zmierzyć krew świń przez dłuższy czas: zwierzęta stały się bardziej zestresowane i pod koniec badania zaczęły rozwijać się u nich infekcje. „To było zupełnie nowe doświadczenie dla wszystkich, więc nie było idealne i wiele się nauczyliśmy” - mówi Bromage.

Aby uzyskać dokładniejsze dane, planuje uwzględnić więcej cykli w swoim kolejnym badaniu, podczas którego będzie mierzył krew małp rezusów (mają rytm czterech dni) przez miesiąc. Dodał, że makaki są przyzwyczajone do pobierania krwi, co oznacza, że naukowcy będą pobierać próbki krwi od zwierząt, które nie doświadczają problemów związanych ze stresem, takich jak świnie.

Bromage zauważył, że niezależnie od tego, zidentyfikował pięciodniowy rytm w innym typie cząsteczek krążących we krwi świń: małe RNA, a większość tych z pięciodniowym cyklem ma również biologiczną funkcję związaną ze wzrostem. Nie uważa, że to odkrycie jest zbiegiem okoliczności. „Szansa, że tak się stanie, jest astronomicznie mała” - mówi.

Dwudniowy szczur

Badania krwi to nie jedyny sposób, w jaki naukowcy mogą śledzić biorytmy. Liu z Uniwersytetu w Memphis mówi, że gdyby miał pieniądze, byłby zainteresowany określeniem wielodniowego rytmu u dużego zwierzęcia za pomocą genu dziennego reportera. Geny te są wyzwalane przez rytm dobowy i wytwarzają cząsteczkę, którą biolodzy mogą mierzyć z dużą precyzją w czasie rzeczywistym. Skojarzenie takiego genu z podwzgórzem zwierzęcia może ujawnić, że rytm dobowy w jakiś sposób zmienia się w harmonogramie wielodniowym”- mówi Liu. „To wykonalne” - mówi - „i bardzo interesujące”.

Jednak nawet jeśli rytm metabolitów zostanie potwierdzony, jak mówią Liu i inni naukowcy, nie oznacza to, że jest on odpowiedzialny za rozmiar ciała. Może raczej odzwierciedlać różne tempo wzrostu u zwierząt o różnych rozmiarach. Jak wyjaśnił Liu, „to, że zaznaczasz coś we krwi, co ma rytmy, niekoniecznie oznacza”, oto powód.

Bromage zgodził się. „To tylko hipoteza” - powiedział - „można ją przetestować eksperymentalnie”. W tym celu chce poddać wyhodowane komórki, dzieląc się raz dziennie, czynnikom biologicznym, które mogłyby zmienić rytm dobowy w rytm wielodniowy. Jak mówi, kiedy to zadziała, naukowcy zobaczą, czy uda im się zamienić „całego szczura w dwudniowe zwierzę”.

Andreas von Bubnoff