Hambaemaili pisikesed jooned näitavad varem tundmatut bioloogilist rütmi. Kui andmed kinnitatakse, aitab see leid teadlastel mõista, miks suuremad loomad kasvavad aeglasemalt ja elavad kauem kui väiksemad.
Eelmise aasta suvel näris New Yorgi ülikooli paleontoloog Timothy Bromage Küprosel puhkades tallekarbonaadi. Järsku kuulis ta kriuksumist. Kui helile järgnes terav valu, mõistis ta, et oli hamba murdnud.
New Yorki naastes ütles hambaarst talle, et kui ta soovib hamba taastamist, peab ta kannatama kolme kuu pikkuse piina. "Või andke mulle vaid viis minutit," ütles arst, "ja ma tõmban selle kohe välja."
Bromage eelistas kustutamist. Nii sai ta teha hambast õhukese lõike, mida ta oli juba mitu aastat teha tahtnud, et mõõta uut tüüpi biorütmi, mida ta uuris imetajate püshammastes. See ei ole hästi uuritud ööpäevarütm, vaid pikem, liigiti erinev ja kestab kaks päeva kuni kaks nädalat. Bromage usub, et see rütm võib määrata loomade ja nende eluea kasvukiiruse.
Rottidel kestab biorütm üks päev; makaakides - neli, lammastel - viis, inimestel - kuus kuni 12 päeva. Bromage kinnitas seda suhet kümnetes teistes elus ja väljasurnud imetajates, sealhulgas Aasia elevantides, kelle biorütm kestab 14 päeva. (On ka erandeid: näiteks koerad ei näita seda suhet.)
Üldiselt on suuremates imetajaliikides aeglasem rütm õigustatud: suured loomad kasvavad aeglasemalt kui väiksemad loomad, kulutades pikemat aega. Bromage usub, et hammaste ja luude rütm peegeldab rakkude jagunemise kiirust stimuleerivat kasvusignaali, mille keharakud saavad selle signaali regulaarsete ajavahemike järel. Mida sagedamini selliseid signaale võetakse, seda kiiremini loom kasvab.
Rütmiline intervall ei suurene mitte ainult kehakaalu korral, leidis Bromage, et see suureneb koos teiste näitajatega, mis suurenevad koos kehakaaluga, näiteks oodatav eluiga, imetamise kestus, ainevahetuse kiirus, estroosse tsükli kestus ja isegi neeru suurus. See näitab, et mõõtes ainult ühe hamba kasvukiirust, isegi kui see on väljasurnud loom, on võimalik kindlaks teha mitte ainult tema keha suurus, vaid ka paljud muud omadused.
"Andke mulle ükskõik milline hammas või püsiv primaathammas - visake see lihtsalt mulle, ärge öelge, mis primaat see on - ja ma rekonstrueerin, mis suurusel tal olid neerud, kui kaua ta elas, ja kõik need omadused," ütleb Bromage. "On uskumatu, kui palju võimalusi see materjal elu võtme leidmiseks avab."
Reklaamvideo:
Pärast 2010. aastal koos kolleegiga maineka Max Plancki teaduspreemia saamist kulutas Bromage 750 000 eurot uuringutele, et teha kindlaks, kas loomade vereproovid kajastavad samu rütme kui hambad. Uuringud olid kulukad ja aeganõudvad ka seetõttu, et hiirtel ja rottidel (bioloogia odavad tööhobused) ei ole mitmepäevast rütmi ja neid ei saa kasutada katsealustena.
Tema 2016. aastal avaldatud uurimistöö tulemused pole veel piisavalt kindlad, et avastuseks saada. Paljud kronobioloogid suhtuvad nendesse skeptiliselt.
Kuid “Mis saab siis, kui tal on lõpuks kõik korras?” Küsib Boulderi Colorado ülikooli antropoloog bioloog Robin Bernstein, kes on uurinud keha suuruse muutumist ja uurib nüüd inimeste ja ahviliste kasvu. "Minu arvates on ta üks neist inimestest, kes on oma ajast ees," ütleb naine. "Võib-olla pole siin midagi erilist, kuid see on originaalne, tõeliselt huvitav ja ma arvan, et sellega saaks palju ära teha."
Hambaraviühendused
Bromage hakkas hammaste vastu huvi tundma, kui ta oli 1980. aastate keskel aspirant. Sel ajal teadsid teadlased, et nii nagu puud moodustavad aastarõngaid, moodustuvad hambaemailile ka igapäevased kasvu triibud. 1930. ja 1940. aastatel avastasid Jaapani teadlased need koerte, rottide, sigade ja makaakide hammastelt.
Imetajatel on ka silmapaistvad triibud, mida nimetatakse Retziuse triipudeks. Bromage'i uuritud varajastes hominiidides eraldas iga Retziuse sugupuu seitse igapäevast riba. Keegi ei teadnud, kuidas või miks need moodustusid, kuid Bromage suutis neid kasutada markerina, et näidata, et esimesed püsivad molaarid ilmusid varajastes hominiidides umbes kolmeaastaselt, nagu šimpansid, palju varem kui tänapäeva inimesed. See tähendas, et varased hominiidid ei olnud lihtsalt tänapäevaste inimeste miniatuursed versioonid, nagu tollal arvati, vaid olid inimahvidele lähemal.
1991. aastal kinnitas Bromage, et Retziuse liine eraldasid makaakides vaid neli igapäevast kasvuliini, vastupidiselt seitsmele varasetes hominiidides. Siis 2000. aastal mõistis ta, et luud omavad ka perioodilist kasvu. Ta leidis, et triibud, mida nimetatakse lamellideks, moodustusid rottide luudel vaid ühe päevaga. Kuidas oleks see võimalik, kui inimese luud kasvaksid palju aeglasemalt kui roti luud?
“See pole mul aastaid peast läinud,” ütleb Bromage. Ja siis ühel päeval 2008. aastal luges ta ühe oma õpilase väitekirjast, et makaakide luudes moodustuvad lamellid nelja päevaga, see tähendab samal viisil kui Retziuse read, mille ta leidis 1991. aastal makaakide hammastest. “See 1991. aasta mälestus tuli mulle meelde kohe, kui nägin numbrit neli,” meenutab ta. Kas see oleks võimalik, mõtles ta, et imetajatel on hammastes ja luudes samad kasvuperioodid? Kui see on nii, peaksid lamellid inimestel moodustuma ka seitsme päeva jooksul, mis on palju pikem kui rottidel, selleks kulub vaid üks päev.
Bromage nimetas seda ideed "täiesti uueks paradigmaks". Kuni selle ajani usuti, et hammaste ja luude kasvu vahel pole seost; luid ei peetud kunagi koeks, mis areneb järk-järgult, mõõdetavas etapis, nagu hambad ja puud. Mis tahes võimalik seos hammaste ja luude arengu vahel oli nii põhjapanev, et ma ei saanud terve nädala jooksul kellelegi öelda,”räägib Bromage isegi oma naisele. Ta kontrollis oma laboris luude ja hammaste histoloogilist struktuuri ning leidis, et hammaste ja luude kasvurütmid kattuvad makaakidel, lammastel ja inimestel.
Aju rütm
Kui rütmid, mida Bromage nägi imetajate hammaste ja luude kasvuribades, olid vastus kasvusignaalile, siis kust see signaal pärineda võiks? Bromage usub, et selle allikas on sama ajuosa, mis, nagu juba teada, seab ööpäevase biorütmi, see tähendab hüpotalamuse. Lõppude lõpuks on tema uuritud biorütmide pikkus alati terve päeva kordne ja bioloogiline kell, nagu juba kindlaks tehtud, mõjutab rakkude jagunemise kiirust. Hüpotalamus on seda funktsiooni võimeline täitma, nii et “miks leiutada mõni teine, täiesti uus instrument?” - tekkis temas küsimus. Midagi, võib-olla hüpotalamusesse kogunev aine, võib mitmepäevase tsükli jooksul muuta bioloogilist kella. Ükskõik milline aju osa selle eest vastutab, "on mõeldud lihtsalt loendamiseks", ütleb Bromage.
Hüpotalamus teeb ka teist tööd: see reguleerib hüpofüüsi, hormoone tootvat hüpofüüsi, mille esiosa reguleerib keha suurust ja mille tagaosa reguleerib estroosse tsükli kestust. Võib-olla mitte juhuslikult, need on ainsad kaks füsioloogilist tunnust, mille Bromage avastas, korrelatsioonis uue biorütmi kestusega.
Bromage hakkas oma teooriat proovile panema. Kui ajus genereeritud signaal reguleerib kasvukiirust, Bromage spekuleeris, peab veri kandma selle signaali jälgi.
Bromage veetis kaks nädalat sigadelt kuus milliliitrit vereproovi. Seejärel andis ta iseseisvale laborile üle 1700 proovi, mis ta oli kogunud 33 sigalt, et tuvastada 995 erinevat keha toodetud metaboliiti, biokeemilisi aineid.
Pärast 300 tuhande dollari kulutamist sai ta vastuse: 159 kõige kontsentreerituma spetsiifilise bioloogilise funktsiooniga metaboliidist 108 peegeldas ööpäevast rütmi. Järgmine kõige sagedasem rütm oli sama viiepäevane rütm, mille Bromage tuvastas sigade hammastes ja luudes. 159 metaboliidist läbis selle tsükli ainult 55 ja ainult 20-s langes tsükkel kokku teiste rütmidega.
Oma üllatuseks tuvastas Bromage kaks viiepäevast tsüklit kolmepäevase vahega. Esimene sisaldas kasvuga seotud metaboliite ja teine - bioloogiliste molekulide lagunemisel tekkinud metaboliite. See oli mõistlik: kui kasv on lõppenud, tuleb metaboliidid lagundada, et neid saaks järgmises kasvutsüklis töödelda. Milline suurepäraselt kujundatud süsteem, arvas Bromage. Ma poleks seda kunagi uskunud, kui ma poleks seda oma silmaga näinud!
Ta nimetas uue biorütmi "Havers-Halbergi võnked". Nimi on antud Clopton Haversi auks, kes 17. sajandi lõpus kirjeldas kõigepealt luu-lamelle ja seda, mida hiljem tuntakse Retziuse triipudena; ja kronobioloog Franz Halberg, kes suri 2013. aastal 93-aastaselt.
Sigade probleem
Tagantjärele mõeldes mõistame, et rütmi nimetamine pärast Halbergi polnud kõige targem otsus.
Kronobioloogid on muutunud mitmepäevaste biorütmide avastamise suhtes äärmiselt skeptiliseks, ütles Boise ülikooli füsioloog Roberta Refinetti, ööpäevase füsioloogia õpiku autor. Ja võlgneme selle eest Halbergile palju. Ta tutvustas "ööpäevase" kontseptsiooni. Edaspidi teatas ta aga pikemate rütmide avastamisest, esitamata sisulisi tõendeid. "Ta oli tõeliselt, nagu talle meeldis öelda, laia silmaringiga mees," sõnas Refinetti. "Mõni arvas, et ta on isegi piiridest väljas."
Refinetti ise üritas (ja ebaõnnestus) tuvastada hobuste vererõhu ja piimhappe kontsentratsiooni nädala rütmi. Ta usub, et Bromage'i viiepäevane rütm sigadel võib olla inimese töönädala tulemus, mis on suhteliselt uus sotsiaalne leiutis. Veelgi enam, tema sõnul ei võinud miski keskkonnas olla miljonite aastate jooksul iganädalase rütmi arengu eeltingimus. See vastandub ööpäevasele rütmile, mis ilmnes ilmselgelt reaktsioonina päeva ja öö muutusele.
Bromage vastas, et tema tuvastatud rütme ei saanud töönädal tõenäoliselt põhjustada, sest sigu hoiti kogu aeg konstantsetes oludes. Veelgi enam, kui Bromage'i teooria on õige, siis ei vajaks need rütmid arendamiseks mitmepäevast välist signaali, kuna need põhinevad päevastel tundidel, mida saab arvestada. Ta lisas, et tõenäoliselt ei mõõtnud ta hobustel nädala rütmi, kuna ta ei mõõtnud kogu kasvuga seotud kompleksi.
Halbergi andmete kriitika osas nimetas Bromage, et ta nimetas rütmi tema järgi, kuna ta "võitis pikaajalisi rütme, kui keegi teine maa peal seda ei mõelnud". Kuid see, Bromage'i sõnul, ei tähenda, et "oleksin kõigi tema väidetega nõus".
Bromage'i andmetel põhineva statistikaga on võib-olla keerulisem vaielda. Kulude ja keerukuse tõttu tuli eksperiment läbi viia lühema aja jooksul, kui Bromage lootis. Kuna tsükleid oli liiga vähe, ei saanud ta rütmi statistiliselt objektiivselt kontrollida. Selle asemel ajendas olukord teda eeldama viiepäevast rütmi ja seejärel kontrollima, kas see eeldus oli statistiliselt asjakohane. Kui väidate, et on viiepäevane tsükkel, peate statistilise aluse saamiseks mõõtma palju tsüklit, ütles Memphise ülikooli kronobioloog Andrew Liu.
Bromage nõustus, et eksperimendil olid oma puudused. "Me tõesti kiirendasime seda," ütleb ta. Sigade verd pikema aja jooksul oleks keeruline mõõta: loomad olid stressis ja uuringu lõpuks hakkasid neil tekkima nakkused. "See oli kõigile täiesti uus kogemus, seega polnud see täiuslik ja õppisime palju," ütleb Bromage.
Täpsemate andmete saamiseks plaanib ta oma järgmisse uuringusse lisada rohkem tsüklit, mille jooksul mõõdab ta kuu jooksul reesusahvide (nende rütm neli päeva) verd. Ta lisas, et makaakid on vereproovidega harjunud, st teadlased võtavad vereproove loomadelt, kellel puuduvad stressist tingitud probleemid, näiteks sead.
Bromage märkis, et sõltumata sellest, tuvastas ta viiepäevase rütmi teist tüüpi molekulides, mis vereringes sigade veres: väikestel RNA-del ja enamikul neist, kellel on viiepäevane tsükkel, omavad ka kasvuga seotud bioloogilist funktsiooni. Ta ei arva, et see avastus on juhus. "Võimalus, et see võib juhtuda, on astronoomiliselt väike," ütleb ta.
Kahe päeva vanune rott
Vereanalüüs ei ole ainus viis, kuidas teadlased saavad biorütme jälgida. Liu Memphise ülikoolist ütleb, et kui tal oleks raha, oleks ta huvitatud mitmepäevase rütmi määramisest suures loomas, kasutades igapäevast reportergeeni. Need geenid käivitatakse ööpäevase rütmi abil ja need toodavad molekuli, mida bioloogid saavad reaalajas suure täpsusega mõõta. Sellise geeni seostamisel looma hüpotalamusega võib selguda, et ööpäevane rütm varieerub kuidagi mitmepäevase režiimi jooksul,”ütleb Liu. "See on teostatav," ütleb ta, "ja väga huvitav."
Isegi kui metaboliitide rütm kinnitatakse, väidavad Liu ja teised teadlased, ei tähenda see, et ta vastutab keha suuruse eest. Pigem võib see lihtsalt kajastada erineva suurusega loomade erinevaid kasvumäärasid. Nagu Liu selgitas, “just see, et märgite veres midagi rütmiga, ei tähenda tingimata”, see on põhjus.
Bromage nõustus. "See on vaid hüpotees," ütles ta. "Seda saab katsetada." Selleks soovib ta kasvatatud rakke, jagades üks kord päevas, allutada bioloogilistele teguritele, mis võivad muuta ööpäevase rütmi mitmepäevaseks rütmiks. Kui see töötab, väidavad tema sõnul teadlased, kas nad suudavad muuta "terve roti kahepäevaseks loomaks".
Andreas von Bubnoff
