Nelielas līnijas uz zobu emaljas atklāj iepriekš nezināmu bioloģisko ritmu. Ja dati tiek apstiprināti, šis atradums palīdzēs pētniekiem saprast, kāpēc lielāki dzīvnieki aug lēnāk un dzīvo ilgāk nekā mazāki.
Vienu pagājušā gada vasaru Ņujorkas universitātes paleontologs Timotijs Bromage, atpūšoties Kiprā, košļāja jēra karbonādi. Pēkšņi viņš izdzirdēja kņadu. Kad skaņai sekoja asas sāpes, viņš saprata, ka viņam ir salauzts zobs.
Atgriezies Ņujorkā, viņa zobārsts viņam teica, ka, ja viņš vēlas, lai zobs tiktu atjaunots, viņam būs jāiztur trīs mēnešu mokas. "Vai arī dodiet man tikai piecas minūtes," teica ārsts, "un es tūlīt to izvilks."
Bromage deva priekšroku. Tādējādi viņš varēja veikt plānu zoba sadaļu, ko viņš bija gribējis darīt vairākus gadus, lai izmērītu jauna veida bioritmu, kuru viņš pētīja zīdītāju pastāvīgajos zobos. Šis nav labi izpētīts diennakts bioritms, bet gan ilgāks, kas atšķiras no sugām pa sugām un ilgst no divām dienām līdz divām nedēļām. Bromage uzskata, ka šis ritms var noteikt dzīvnieku augšanas ātrumu un viņu dzīves ilgumu.
Žurkām bioritms ilgst vienu dienu; makakās - četras, aitām - piecas, cilvēkiem - no sešām līdz 12 dienām. Bromage apstiprināja šīs attiecības desmitiem citu dzīvo un izmirušo zīdītāju, ieskaitot Āzijas ziloņus, kuriem ir bioritms, kas ilgst 14 dienas. (Ir izņēmumi: piemēram, suņi neizrāda šīs attiecības.)
Kopumā ir pamatots lēnāks ritms lielākām zīdītāju sugām: lielie dzīvnieki aug lēnāk nekā mazākie dzīvnieki, pavadot ilgāku laiku. Bromage uzskata, ka zobu un kaulu ritms atspoguļo augšanas signālu, kas stimulē šūnu dalīšanās ātrumu, ko ķermeņa šūnas saņem šo signālu ar regulāriem intervāliem. Jo biežāk tiek saņemti šādi signāli, jo ātrāk dzīvnieks aug.
Ritmiskais intervāls palielinās ne tikai ar ķermeņa svaru, Bromage atklāja, ka tas palielinās ar citām īpašībām, kuras palielinās līdz ar ķermeņa svaru, piemēram, paredzamais dzīves ilgums, laktācijas ilgums, vielmaiņas ātrums, estrālā cikla ilgums un pat nieru lielums. Tas liek domāt, ka, izmērot tikai viena zoba augšanas ātrumu, pat ja tas ir izmiris dzīvnieks, būs iespējams noteikt ne tikai ķermeņa izmēru, bet arī daudzas citas tā īpašības.
"Dodiet man jebkuru zobu, jebkuru pastāvīgu primāta zobu - vienkārši izmetiet to man, nestāstiet man, kāds tas ir primāts, un es rekonstruēšu, kāda izmēra tam bija nieres, cik ilgi tas dzīvoja, visas šīs pazīmes," saka Bromage. “Tas ir neticami, cik lielas iespējas paver šis materiāls, lai atrastu dzīves atslēgu.”
Reklāmas video:
Pēc prestižās Maksas Planka zinātniskās balvas saņemšanas kopā ar kolēģi 2010. gadā Bromage iztērēja 750 000 eiro pētniecībai, lai noteiktu, vai dzīvnieku asins paraugi atspoguļo tos pašus ritmus kā zobiem. Pētījums bija dārgs un laikietilpīgs arī tāpēc, ka pelēm un žurkām (lēti bioloģijas darba zirgi) nav vairāku dienu ritma un tos nevar izmantot kā eksperimentālus priekšmetus.
Viņa 2016. gadā publicēto pētījumu rezultāti vēl nav pietiekami pārliecinoši, lai kļūtu par atklājumu. Daudzi hronobiologi pret viņiem izturas skeptiski.
Bet “Kas notiks, ja viņam galu galā ir taisnība?” Jautā Robins Bernsteins, antropologs biologs no Kolorādo universitātes Boulderā, kurš ir pētījis ķermeņa lieluma attīstību un tagad pēta cilvēku un primātu, kas nav cilvēkveidīgie primāti, augšanu. “Manuprāt, viņš ir viens no tiem cilvēkiem, kurš ir priekšā savam laikam,” viņa saka. "Varbūt šeit nav nekā īpaša, bet tas ir oriģināls, patiešām interesants, un es domāju, ka ar to varētu daudz paveikt."
Zobu savienojumi
Bromage par zobiem sāka interesēties, kad viņš bija maģistrants astoņdesmito gadu vidū. Tajā laikā zinātnieki zināja, ka tāpat kā koki veido viengadīgus gredzenus, zobu emaljā veidojas ikdienas augšanas svītras. 30. un 1940. gados japāņu zinātnieki tos atrada suņu, žurku, cūku un makaku zobiem.
Zīdītājiem ir arī redzamas svītras, ko sauc par Retzius svītrām. Agrīnajos hominīdos, ko tajā laikā pētīja Bromage, septiņas ikdienas joslas atdalīja katru Retzius ciltsrakstu. Neviens nezināja, kā vai kāpēc tie veidojas, bet Bromage spēja tos izmantot kā marķieri, lai parādītu, ka pirmie pastāvīgie molāri parādījās agrīnajos hominīdos apmēram trīs gadu vecumā, piemēram, šimpanzēs, daudz agrāk nekā mūsdienu cilvēki. Tas nozīmēja, ka agrīnie hominīdi nebija tikai mūsdienu cilvēku miniatūras versijas, kā toreiz ticēja, bet arī bija tuvāk pērtiķiem.
1991. gadā Bromage apstiprināja, ka Retzius līnijas makakos atdala tikai četras ikdienas augšanas līnijas, atšķirībā no septiņām agrīnajos hominīdos. Tad 2000. gadā viņš saprata, ka kauliem ir arī periodiskas augšanas modelis. Viņš atklāja, ka svītras, ko sauc par lamelēm, uz žurku kauliem veidojas tikai vienā dienā. Kā tas varētu būt iespējams, ja cilvēka kauli aug daudz lēnāk nekā žurku kauli?
“Tas gadiem ilgi nav izgājis no manas galvas,” saka Bromage. Un tad kādu dienu 2008. gadā viņš viena studenta disertācijā nolasīja, ka makaku kaulos lameles veidojas četrās dienās, tas ir, tādā pašā veidā kā Retzius līnijas, kuras viņš 1991. gadā atrada makaku zobos. “Šī 1991. gada atmiņa man ienāca prātā jau otrajā sekundē, kad es ieraudzīju numuru četri,” viņš atceras. Vai viņš varēja domāt, ka zīdītājiem zobu un kaulu augšanas periodi ir vienādi? Ja tas tā ir, tad lamelēm cilvēkiem vajadzētu veidoties arī septiņās dienās, kas ir daudz ilgāk nekā žurkām, un tas prasa tikai vienu dienu.
Bromage šo ideju sauca par "pilnīgi jaunu paradigmu". Līdz tam laikam tika uzskatīts, ka starp zobu un kaulu augšanu nav nekādas saistības; kauli nekad netika uzskatīti par audiem, kas attīstās pakāpeniski, izmērāmos posmos, piemēram, zobiem un kokiem. Jebkura iespējamā saistība starp zobu un kaulu attīstības ātrumu bija tik fundamentāla, ka es nedēļu neko nevarēju pateikt nevienam,”saka Bromage pat savai sievai. Viņš laboratorijā pārbaudīja kaulu un zobu histoloģisko struktūru un konstatēja, ka zobu un kaulu augšanas ritmi sakrīt makakām, aitām un cilvēkiem.
Smadzeņu ritms
Ja ritmi, ko Bromage redzēja zīdītāju zobu un kaulu augšanas joslās, bija atbilde uz augšanas signālu, no kurienes tas varētu nākt? Bromage uzskata, ka tā avots ir tā pati smadzeņu daļa, kas, kā jau zināms, nosaka diennakts bioritmu, tas ir, hipotalāmu. Galu galā viņa izpētīto bioritmu garums vienmēr ir visas dienas reizinājums, un bioloģiskais pulkstenis, kā jau tika noteikts, ietekmē šūnu dalīšanās ātrumu. Hipotalāms ir spējīgs veikt šo funkciju, tāpēc “kāpēc izgudrot citu, pilnīgi jaunu instrumentu?” - viņā radās jautājums. Kaut kas, iespējams, viela, kas uzkrājas hipotalāmā, var mainīt bioloģisko pulksteni vairāku dienu ciklā. Neatkarīgi no tā, kura smadzeņu daļa ir par to atbildīga, “tā ir domāta tikai skaitīšanai”, saka Bromage.
Hipotalāmu veic arī citu darbu: tas regulē hipofīzi - hormonus ražojošu hipofīzi, kuras priekšpuse regulē ķermeņa lielumu un kuras aizmugure regulē estrālā cikla ilgumu. Varbūt nejauši, ka šīs ir vienīgās divas fizioloģiskās pazīmes, kuras Bromage atklāja, ir tieši saistītas ar jaunā bioritma ilgumu.
Bromage sāka pārbaudīt savu teoriju. Ja smadzenēs radītais signāls regulē augšanas ātrumu, Bromage spekulēja, tad asinīs ir jābūt šī signāla pēdām.
Bromage pavadīja divas nedēļas, savācot sešus mililitrus cūku asins paraugu. Tad viņš neatkarīgajai laboratorijai nodeva 1700 paraugus, kurus viņš savāc no 33 cūkām, lai identificētu 995 dažādus metabolītus, bioķīmiskās vielas, ko ražo organisms.
Pēc 300 tūkstošu dolāru iztērēšanas viņš saņēma atbildi: no 159 koncentrētākajiem metabolītiem ar specifisku bioloģisko funkciju 108 atspoguļoja diennakts ritmu. Nākamais biežākais ritms bija tas pats piecu dienu ritms, ko Bromage identificēja cūku zobos un kaulos. Šajā ciklā tikai 55 no 159 metabolītiem izgāja cauri, un tikai 20 cikls sakrita ar citiem ritmiem.
Par pārsteigumu Bromage identificēja divus piecu dienu ciklus ar trīs dienu intervālu. Pirmajā bija metabolīti, kas saistīti ar augšanu, bet otrajā - metabolīti, kas veidojas bioloģisko molekulu sadalīšanās laikā. Tam bija jēga: kad augšana ir beigusies, metabolīti ir jāizdala, lai tie būtu pieejami pārstrādei nākamajā augšanas ciklā. Cik eleganta sistēma, domāja Bromage, es nekad tam nebūtu ticējis, ja es to nebūtu redzējis savām acīm!
Viņš nosauca jauno bioritmu par "Haversa-Halberga svārstībām". Nosaukums tiek dots par godu Kloptonam Haversam, kurš 17. gadsimta beigās vispirms aprakstīja kaulu lameles un to, kas vēlāk kļūs pazīstams kā Retzius svītras; un hronobiologs Franzs Halbergs, kurš nomira 2013. gadā 93 gadu vecumā.
Cūku problēma
Atskatoties atpakaļ, mēs saprotam, ka ritma nosaukšana pēc Halberga nebija visgudrākais lēmums.
Hrononobiologi ir kļuvuši ārkārtīgi skeptiski par vairāku dienu bioritmu atklāšanu, saka Roberto Refinetti, Boīzes universitātes fiziologs un diennakts fizioloģijas mācību grāmatas autors. Un mēs par to daudz esam parādā Halbergam. Viņš iepazīstināja ar pašu “diennakts” jēdzienu. Tomēr nākotnē viņš paziņoja par garāku ritmu atklāšanu, nesniedzot būtiskus pierādījumus. "Viņš patiesi, kā viņam patika teikt, bija plaši domājošs cilvēks," sacīja Refinetti. "Daži domāja, ka viņš pat bija ārpus robežām."
Pats Refinetti mēģināja (un neizdevās) noteikt zirga asinsspiediena un pienskābes koncentrācijas nedēļas ritmu. Viņš uzskata, ka Bromage piecu dienu ritms cūkām var būt cilvēka darba nedēļas rezultāts, kas ir salīdzinoši jauns sociālais izgudrojums. Turklāt viņš saka, ka nekas vidē nevarēja būt priekšnoteikums nedēļas ritma attīstībai miljonu gadu laikā. Pretstatā tam diennakts ritms, kas acīmredzami radās kā reakcija uz dienas un nakts maiņu.
Bromage atbildēja, ka viņa identificētos ritmus, visticamāk, nevar izraisīt darba nedēļa, jo cūkas visu laiku tika turētas pastāvīgos apstākļos. Turklāt, ja Bromage teorija ir pareiza, tad šiem ritmiem nav vajadzīgs vairāku dienu ārējs signāls, lai attīstītos, jo tie balstās uz ikdienas stundām, kuras var saskaitīt. Viņš piebilda, ka Refinetti, iespējams, neizmērīja nedēļas ritmu zirgiem, jo viņš neizmērīja visu kompleksu, kas saistīts ar augšanu.
Runājot par Halberga datu kritiku, Bromage teica, ka viņš nosaucis ritmu pēc viņa, jo viņš "aizstāvēja ilgtermiņa ritmus, kad neviens cits uz Zemes par to nedomāja". Bet tas, saka Bromage, nenozīmē, ka "es piekrītu visiem viņa izteikumiem."
Iespējams, ka grūtāk ir strīdēties par statistiku pēc Bromage datiem. Izmaksu un sarežģītības dēļ eksperiments bija jāveic īsākā laika posmā, nekā Bromage bija cerējis. Tā kā ciklu bija par maz, viņš statistiski objektīvi nevarēja pārbaudīt ritmus. Tā vietā situācija pamudināja viņu pieņemt piecu dienu ritmu un pēc tam pārbaudīt, vai šis pieņēmums ir statistiski nozīmīgs. Ja jūs apgalvojat, ka ir piecu dienu cikls, jums ir jāizmēra daudzi cikli, lai iegūtu statistisko bāzi, saka Memfisas universitātes hronobiologs Endrjū Liu.
Bromage piekrita, ka eksperimentam bija savi trūkumi. “Mēs to patiešām paātrinājām,” viņš saka. Būtu grūti izmērīt cūku asinis ilgākā laika posmā: dzīvnieki bija vairāk pakļauti stresam, un pētījuma beigās viņi sāka attīstīties infekcijas. “Tā bija pilnīgi jauna pieredze visiem, tāpēc tā nebija perfekta un mēs daudz iemācījāmies,” saka Bromage.
Lai iegūtu precīzākus datus, viņš nākamajā pētījumā plāno iekļaut vairāk ciklu, kuru laikā viņš mēnesi mērīs asinis rēzus pērtiķiem (viņiem ritms ir četras dienas). Viņš piebilda, ka makaki ir pieraduši pie asiņu paraugu ņemšanas, kas nozīmē, ka zinātnieki ņems asins paraugus no dzīvniekiem, kuriem nav problēmu ar stresu, piemēram, cūkām.
Bromage atzīmēja, ka neatkarīgi no tā, viņš identificēja piecu dienu ritmu cita veida molekulās, kas cirkulē cūku asinīs: mazām RNS, un lielākajai daļai no tām, kurām ir piecu dienu cikls, arī ir bioloģiska funkcija, kas saistīta ar augšanu. Viņš neuzskata, ka šis atklājums ir nejaušība. "Iespēja, ka tas varētu notikt, ir astronomiski maza," viņš saka.
Divas dienas veca žurka
Asins analīzes nav vienīgais veids, kā zinātnieki var izsekot bioritmiem. Liu no Memfisas universitātes saka, ka, ja viņam būtu nauda, viņš būtu ieinteresēts noteikt vairāku dienu ritmu lielā dzīvniekā, izmantojot ikdienas reportiera gēnu. Šos gēnus iedarbina diennakts ritms, un tie rada molekulu, kuru biologi reālā laikā var izmērīt ar lielu precizitāti. Šāda gēna saistība ar dzīvnieka hipotalāmu var atklāt, ka diennakts ritms kaut kā mainās vairāku dienu grafikā,”saka Liu. "Tas ir izdarāms," viņš saka, "un ļoti interesants."
Tomēr, pat ja Liu un citi zinātnieki apgalvo, ka metabolītu ritms tiek apstiprināts, tas nenozīmē, ka viņš ir atbildīgs par ķermeņa lielumu. Drīzāk tas var vienkārši atspoguļot atšķirīgus augšanas ātrumus dažāda lieluma dzīvniekiem. Kā skaidroja Liu, “tas ir tikai tāpēc, ka jūs asinīs iezīmējat kaut ko tādu, kam ir ritms, tas nebūt nenozīmē”.
Bromage piekrita. "Šī ir tikai hipotēze," viņš teica. "To var eksperimentāli pārbaudīt." Lai to izdarītu, viņš vēlas audzētās šūnas, dalot vienu reizi dienā, pakļaut bioloģiskiem faktoriem, kas varētu pārvērst diennakts ritmu vairāku dienu ritmā. Pēc tam, kad viņš strādās, viņš saka, zinātnieki redzēs, vai viņi var "veselu žurku pārvērst par divu dienu vecu dzīvnieku".
Andreass fon Bubnoffs