Drobné linie na zubní sklovině odhalují dříve neznámý biologický rytmus. Pokud budou údaje potvrzeny, toto zjištění pomůže vědcům pochopit, proč velká zvířata rostou pomaleji a žijí déle než ta menší.
Jedno loňské léto lord Timothy Bromage, paleontolog z University of New York, během dovolené na Kypru žvýkal jehněčí kotletku. Najednou uslyšel krizi. Když za zvukem následovala prudká bolest, uvědomil si, že zlomil zub.
Když se vrátil do New Yorku, jeho zubař mu řekl, že bude-li chtít obnovit zub, bude muset vydržet tři měsíce utrpení. „Nebo mi dejte jen pět minut,“řekl doktor, „a já to hned vytáhnu.“
Bromage preferovaná delece. Byl tak schopen vyrobit tenkou část zubu, což chtěl dělat několik let, aby změřil nový druh biorytmu, který studoval v permanentních zubech savců. Nejedná se o dobře prozkoumaný cirkadiánní biorytmus, ale o delší, odlišný od druhu k druhu, který trvá dva dny až dva týdny. Bromage věří, že tento rytmus může nastavit rychlost růstu zvířat a jejich životnost.
U potkanů trvá biorytmus jeden den; u makaků - čtyři, u ovcí - pět, u lidí - od šesti do 12 dnů. Bromage potvrdil tento vztah u desítek dalších živých a zaniklých savců, včetně asijských slonů, kteří mají biorytmus, který trvá 14 dní. (Existují výjimky: například psi neukazují tento vztah.)
Obecně je pomalejší rytmus u větších druhů savců oprávněný: velká zvířata rostou pomaleji než menší zvířata a tráví delší období. Bromage věří, že rytmus zubů a kostí odráží růstový signál, který stimuluje rychlost buněčného dělení, kterou buňky těla přijímají v pravidelných intervalech. Čím častěji jsou takové signály přijímány, tím rychleji zvíře roste.
Rytmický interval se zvyšuje nejen s tělesnou hmotností, Bromage zjistil, že se zvyšuje s dalšími charakteristikami, které se zvyšují spolu s tělesnou hmotností, například s očekávanou délkou života, délkou laktace, metabolickou rychlostí, trváním estrálního cyklu a dokonce i velikostí ledvin. To naznačuje, že měřením rychlosti růstu pouze jednoho zubu, i když je to vyhynulé zvíře, bude možné určit nejen velikost jeho těla, ale také mnoho jeho dalších funkcí.
"Dejte mi jakýkoli zub, jakýkoli trvalý zub primáta - prostě mi ho hodte, neříkej mi, co to primát je - a rekonstruuji, jakou má ledviny, jak dlouho to žilo, všechny ty rysy," říká Bromage. "Je neuvěřitelné, jaké okno příležitosti tento materiál otevírá, aby našel klíč k životu."
Propagační video:
Poté, co v roce 2010 získal prestižní cenu Max Planck Science Prize s kolegou, utratil Bromage 750 000 EUR na výzkum, aby určil, zda vzorky zvířecí krve odrážejí stejné rytmy jako zuby. Výzkum byl nákladný a časově náročný, částečně proto, že myši a krysy (levné pracovní biologické pracovní koně) nemají vícedenní rytmus, a proto je nelze použít jako experimentální subjekty.
Výsledky jeho výzkumu, publikovaného v roce 2016, ještě nejsou dostatečně pevné, aby se staly objevem. Mnoho chronobiologů je vůči nim skeptických.
Ale „Co když má po tom všem pravdu?“Ptá se Robin Bernstein, antropologový biolog na Coloradské univerzitě v Boulderu, který studoval vývoj velikosti těla a nyní studuje růst lidí a primátů. "Podle mého názoru je to jeden z těch lidí, kteří jsou před jeho časem," říká. "Možná tady není nic zvláštního, ale je to originální, opravdu zajímavé a myslím si, že s tím se dá hodně udělat."
Zubní spojení
Bromage se začal zajímat o zuby, když byl v 80. letech postgraduálním studentem. V té době vědci věděli, že stejně jako stromy tvoří každoroční prstence, na zubní sklovině se tvoří denní růstové pruhy. Ve 30. a 40. letech je japonští vědci objevili na zubech psů, potkanů, prasat a makaků.
Savci mají také prominentní pruhy zvané Retziusovy pruhy. V raných hominidech, které tehdy studoval Bromage, oddělilo každou retziovou linii sedm pásů denně. Nikdo nevěděl, jak a proč se vytvořili, ale Bromage je dokázal použít jako značku, aby ukázal, že první stálá stolička se objevila u časných hominidů kolem tří let, jako šimpanzi, mnohem dříve než moderní lidé. To znamenalo, že rané hominidy nebyly jen miniaturními verzemi moderních lidí, jak se tehdy věřilo, ale byly blíže lidoopům.
V roce 1991 Bromage potvrdil, že Retziusovy linie u makaků byly odděleny pouze čtyřmi denními růstovými liniemi, na rozdíl od sedmi u raných hominidů. Poté v roce 2000 si uvědomil, že kosti mají také vzorec periodického růstu. Zjistil, že pruhy, nazývané lamely, se na kostech krys vytvořily během jediného dne. Jak by to bylo možné, kdyby lidské kosti rostly mnohem pomaleji než kosti potkanů?
"Už mi to roky nevyšlo," říká Bromage. A pak jednoho dne v roce 2008 přečetl v disertaci jednoho ze svých studentů, že za čtyři dny vznikají lamely v kostech makaků, tedy stejným způsobem jako retziové linie, které našel v zubech makaků v roce 1991. "Tato paměť z roku 1991 mi přišla na mysl hned v okamžiku, kdy jsem viděl číslo čtyři," vzpomíná. Mohlo by to být možné, říkal si, že savci mají stejné období růstu zubů a kostí? Pokud je tomu tak, pak by se lamely u lidí měly tvořit také za sedm dní, což je mnohem déle než u potkanů, což trvá pouze jeden den.
Bromage nazval tuto myšlenku „zcela novým paradigmatem“. Až do té doby se věřilo, že neexistuje souvislost mezi růstem zubů a kostí; kosti nebyly nikdy považovány za tkáň, která se vyvíjí v postupných, měřitelných stádiích, jako jsou zuby a stromy. Jakákoli možná souvislost mezi rychlostí vývoje zubů a kostí byla tak zásadní, že jsem nemohl nikomu říct nic za týden, “říká Bromage, dokonce i jeho manželce. Zkontroloval histologickou strukturu kostí a zubů ve své laboratoři a zjistil, že rytmy růstu zubů a kostí se shodovaly u makaků, ovcí a lidí.
Rytmus mozku
Pokud rytmy, které Bromage viděl v růstových pásmech zubů a kostí savců, byly odpovědí na růstový signál, odkud by mohl tento signál pocházet? Bromage věří, že jeho zdroj je stejná část mozku, která, jak již bylo známo, nastavuje cirkadiánní biorytmus, tj. Hypotalamus. Konec konců, délka biorytmů, které studoval, je vždy násobkem celého dne a biologické hodiny, jak již bylo stanoveno, ovlivňují rychlost buněčného dělení. Hypotalamus je schopen vykonávat tuto funkci, takže „proč vymýšlet další, zcela nový nástroj?“- v něm vyvstala otázka. Něco, možná látka hromadící se v hypotalamu, může měnit biologické hodiny ve vícedenním cyklu. Kterákoli část mozku je za to zodpovědná, „to se jen mělo počítat,“říká Bromage.
Hypotalamus také vykonává jinou práci: reguluje hypofýzu, hormonálně produkující hypofýzu, jejíž přední část reguluje velikost těla a zadní část reguluje trvání estrálního cyklu. Možná ne náhodou, to jsou jediné dva fyziologické rysy, které objevil Bromage přímo v korelaci s dobou trvání nového biorytmu.
Bromage začal testovat jeho teorii. Pokud signál generovaný v mozku reguluje rychlost růstu, Bromage spekuloval, pak krev musí nést stopy tohoto signálu.
Bromage strávil dva týdny shromažďováním šesti mililitrů vzorků krve od prasat. Poté předal 1700 vzorků, které odebral od 33 prasat, do nezávislé laboratoře, aby identifikoval 995 různých metabolitů, biochemických látek produkovaných tělem.
Poté, co utratil 300 tisíc dolarů, dostal odpověď: ze 159 nejvíce koncentrovaných metabolitů se specifickou biologickou funkcí 108 odráželo cirkadiánní rytmus. Dalším nejčastějším rytmem byl stejný pětidenní rytmus, který Bromage identifikoval v zubech a kostech prasat. Tento cyklus prošlo pouze 55 ze 159 metabolitů a pouze ve 20 se tento cyklus shodoval s jinými rytmy.
K jeho překvapení Bromage identifikoval dva pětidenní cykly po třech dnech. První obsahoval metabolity spojené s růstem a druhý - metabolity vznikající při rozkladu biologických molekul. To dávalo smysl: když růst skončí, metabolity se musí podrobit rozkladu, aby byly dostupné pro zpracování v příštím růstovém cyklu. Jak skvěle navržený systém, pomyslel si Bromage, nikdy bych tomu nevěřil, kdybych ho neviděl na vlastní oči!
Nový biorytmus pojmenoval „Havers-Halbergovy oscilace“. Jméno je dáno na počest Cloptona Haverse, který na konci 17. století nejprve popsal lamely kostí a co by se později stalo známým jako retziové pruhy; a Franz Halberg, chronobiolog, který zemřel v roce 2013 ve věku 93 let.
Prase problém
Při pohledu zpět si uvědomujeme, že pojmenování rytmu po Halbergovi nebylo nejchytřejší rozhodnutí.
Chronobiologové se při objevování vícedenních biorytmů stali skeptičtí, říká Roberto Refinetti, fyziolog na Boise University a autor učebnice cirkadiánní fyziologie. A za to dlužíme Halbergovi hodně. Představil samotný koncept „cirkadiánní“. V budoucnu však oznámil objev delších rytmů, aniž by předložil podstatné důkazy. „Byl to, jak rád říkal, široce smýšlející muž," řekl Refinetti. „Někteří si mysleli, že je dokonce mimo hranice."
Sám Refinetti se pokusil (a nedokázal) identifikovat týdenní rytmus krevního tlaku a koncentrace kyseliny mléčné u koní. Věří, že Bromageův pětidenní rytmus u prasat může být výsledkem lidského pracovního týdne, relativně nového sociálního vynálezu. Navíc říká, že nic v prostředí nemohlo být předpokladem pro vývoj týdenního rytmu po miliony let. Kontrastujte to s cirkadiánním rytmem, který zjevně vznikl jako reakce na změnu dne a noci.
Bromage odpověděl, že rytmy, které identifikoval, s největší pravděpodobností nemohly být způsobeny pracovním týdnem, protože prasata byla neustále udržována v konstantních podmínkách. Navíc, pokud je Bromageova teorie správná, pak by tyto rytmy nemusely vyvíjet vícedenní externí signál, protože jsou založeny na denních hodinách, které lze spočítat. Refinetti, dodal, pravděpodobně neměřil týdenní rytmus u koní, protože neměřil celý komplex spojený s růstem.
Pokud jde o kritiku Halbergových dat, Bromage uvedl, že po něm pojmenoval rytmus, protože „bojoval za dlouhodobé rytmy, když o tom nikdo jiný na Zemi nepřemýšlel“. Ale to, říká Bromage, neznamená „souhlasím se všemi jeho výroky.“
Je obtížnější se hádat se statistikou podle údajů Bromage. Kvůli nákladům a složitosti musel být experiment proveden v kratším časovém rámci, než Bromage doufal. Protože tam bylo příliš málo cyklů, nemohl statisticky objektivně kontrolovat rytmy. Místo toho ho situace vedla k tomu, aby předpokládal pětidenní rytmus, a poté zkontroloval, zda byl tento předpoklad statisticky relevantní. Pokud požadujete pětidenní cyklus, musíte změřit mnoho cyklů, abyste měli statistický základ, říká Andrew Liu, chronobiolog z Memphis University.
Bromage souhlasil, že experiment měl své vlastní nedostatky. "Opravdu jsme to zrychlili," říká. Bylo by obtížné měřit krev prasat v delším období: zvířata byla více stresována a na konci studie se začala vyvíjet infekce. "Pro každého to byla úplně nová zkušenost, takže to nebylo dokonalé a hodně jsme se naučili," říká Bromage.
Aby získal přesnější údaje, plánuje zahrnout do své další studie více cyklů, během kterých bude měřit krev u opic rhesus (mají rytmus čtyř dnů) po dobu jednoho měsíce. Makakové jsou zvyklí na odběr krve, dodal, což znamená, že vědci budou odebírat vzorky krve od zvířat, která nemají problémy se stresem, jako jsou prasata.
Bromage poznamenal, že bez ohledu na to identifikoval pětidenní rytmus v jiném typu molekuly cirkulující v krvi prasat: malé RNA a většina z těch s pětidenním cyklem má také biologickou funkci související s růstem. Nemyslí si, že tento objev je náhoda. "Pravděpodobnost, že by se to mohlo stát, je astronomicky malá," říká.
Dvoudenní krysa
Krevní testy nejsou jediným způsobem, jak mohou vědci sledovat biorytmy. Liu z University of Memphis říká, že kdyby měl peníze, měl by zájem o stanovení vícedenního rytmu u velkého zvířete pomocí denního reportérového genu. Tyto geny jsou spouštěny cirkadiánním rytmem a produkují molekulu, kterou biologové mohou měřit s vysokou přesností v reálném čase. Spojení takového genu s hypothalamem zvířete může odhalit, že cirkadiánní rytmus se během vícedenního rozvrhu nějak liší, “říká Liu. „Je to proveditelné,“říká, „a velmi zajímavé.“
Avšak i když je rytmus metabolitů potvrzen, Liu a další vědci tvrdí, to neznamená, že je zodpovědný za velikost těla. Spíše to může jednoduše odrážet různé míry růstu u zvířat různých velikostí. Jak vysvětlil Liu: „To proto, že jen označíte něco v krvi, které má rytmy, nemusí nutně znamenat“.
Bromage souhlasil. „To je jen hypotéza," řekl. „Lze to experimentálně otestovat." Aby toho dosáhl, chce podrobit pěstované buňky, které se dělí jednou denně, biologickým faktorům, které by mohly změnit cirkadiánní rytmus na vícedenní rytmus. Jakmile to bude fungovat, říká, vědci uvidí, jestli dokážou proměnit „celou krysu na dvoudenní zvíře“.
Andreas von Bubnoff