Små linjer på tandemaljen afslører en tidligere ukendt biologisk rytme. Hvis dataene bekræftes, vil dette fund hjælpe forskere med at forstå, hvorfor større dyr vokser langsommere og lever længere end mindre.
En sommer sidste år tyggede Timothy Bromage, en paleontolog ved University of New York, mens han var på ferie på Cypern, en lammekotelette. Pludselig hørte han et knas. Da lyden blev efterfulgt af en skarp smerte, indså han, at han havde brudt en tand.
Da han vendte tilbage til New York, fortalte hans tandlæge ham, at han måtte udholde tre måneders kvaler, hvis han ville have en tand genoprettet. "Eller giv mig bare fem minutter," sagde lægen, "og jeg trækker det ud lige nu."
Bromage foretrak sletning. Således var han i stand til at lave et tyndt afsnit af tanden, hvilket er, hvad han havde ønsket at gøre i flere år for at måle en ny slags biorhythm, som han studerede i de permanente tænder hos pattedyr. Dette er ikke en godt studeret døgnbiorhythm, men en længere en, der adskiller sig fra art til art, der varer fra to dage til to uger. Bromage mener, at denne rytme kan indstille dyrenes væksthastighed og deres levetid.
Hos rotter varer biorytmen en dag; i makakker - fire, i får - fem, hos mennesker - fra seks til 12 dage. Bromage bekræftede dette forhold i snesevis af andre levende og uddøde pattedyr, inklusive asiatiske elefanter, som har en biorytm, der varer 14 dage. (Der er undtagelser: for eksempel viser hunde ikke dette forhold.)
Generelt er den langsommere rytme i større pattedyrarter berettiget: store dyr vokser langsommere end mindre dyr og tilbringer længere perioder. Bromage mener, at rytmen i tænder og knogler afspejler et vækstsignal, der stimulerer hastigheden af celledeling, som cellerne i kroppen modtager dette signal med regelmæssige intervaller. Jo oftere sådanne signaler modtages, jo hurtigere vokser dyret.
Rytmisk interval stiger ikke kun med kropsvægt, Bromage fandt, at det stiger med andre egenskaber, der stiger sammen med kropsvægt, for eksempel levealder, laktationsvarighed, metabolisk hastighed, estrous cyklusvarighed og endda nyrestørrelse. Dette antyder, at det kun er muligt at bestemme størrelsen på dens krop, men også mange af dets andre træk ved at måle væksthastigheden for kun en tand, selvom det er et uddødet dyr.
"Giv mig enhver tand, enhver permanent primatand - bare kaste den til mig, ikke fortæl mig, hvilken primat det er - og jeg vil rekonstruere, hvilken størrelse den havde nyrer, hvor længe den levede, alle disse funktioner," siger Bromage.”Det er utroligt, hvilket vindue af muligheder dette materiale åbner for at finde nøglen til livet.”
Salgsfremmende video:
Efter at have modtaget den prestigefyldte Max Planck Science Prize med en kollega i 2010, brugte Bromage 750.000 € på forskning for at afgøre, om dyreblodprøver reflekterer de samme rytmer som tænder. Undersøgelsen var dyre og tidskrævende, også fordi mus og rotter (biologiens billige arbejdsheste) ikke har flere dages rytme og ikke kan bruges som eksperimentelle emner.
Resultaterne af hans forskning, der blev offentliggjort i 2016, er endnu ikke solide nok til at blive en opdagelse. Mange kronobiologer er skeptiske over for dem.
Men”Hvad hvis han trods alt har ret?” Spørger Robin Bernstein, en antropologbiolog ved University of Colorado i Boulder, der har undersøgt udviklingen i kropsstørrelse og nu studerer væksten af mennesker og ikke-menneskelige primater.”Efter min mening er han en af de mennesker, der er foran hans tid,” siger hun. "Måske er der ikke noget specielt her, men det er originalt, virkelig interessant, og jeg tror, at der kunne gøres meget ved det."
Dentalforbindelser
Bromage blev interesseret i tænder, da han var kandidatstuderende i midten af 1980'erne. På det tidspunkt vidste videnskabsmænd, at ligesom træer danner årlige ringe, dannes daglige vækststræk på tandemaljen. I 1930'erne og 1940'erne opdagede japanske forskere dem på tænderne til hunde, rotter, svin og makaker.
Pattedyr har også fremtrædende striber kaldet Retzius-striber. I de tidlige hominider, der blev undersøgt på det tidspunkt af Bromage, separerede syv daglige bånd hver retzius-afstamning. Ingen vidste, hvordan eller hvorfor de dannede sig, men Bromage var i stand til at bruge dem som en markør for at vise, at de første permanente molarer optrådte i tidlige hominider omkring tre år, som chimpanser, meget tidligere end moderne mennesker. Dette betød, at de tidlige hominider ikke kun var miniatyrversioner af moderne mennesker, som man derefter troede, men var tættere på aber.
I 1991 bekræftede Bromage, at Retzius 'linjer i makaker blev adskilt med kun fire daglige vækstlinjer, i modsætning til syv, han observerede i tidlige hominider. Så i 2000 indså han, at knogler også har et mønster af periodisk vækst. Han fandt, at striber, kaldet lameller, dannedes på knoglerne på rotter på bare en dag. Hvordan kunne dette være muligt, hvis menneskelige knogler vokser meget langsommere end rotteben?
”Det er ikke gået ud af mit hoved i årevis,” siger Bromage. Og så en dag i 2008 læste han i en afhandling af en af sine studerende, at lameller i knoglerne af makakker dannes på fire dage, det vil sige på samme måde som Retzius-linjerne, som han fandt i tænderne på makakker i 1991.”Denne hukommelse fra 1991 kom ind i mit sind lige nu jeg så nummer fire,” husker han. Kunne det være muligt, undrede han sig over, at pattedyr har de samme vækstperioder i tænder og knogler? Hvis dette er tilfældet, bør lameller hos mennesker også dannes på syv dage, hvilket er meget længere end hos rotter, hvilket kun tager en dag at gøre det.
Bromage kaldte denne idé "et helt nyt paradigme." Indtil den tid blev det antaget, at der ikke var nogen forbindelse mellem, hvordan tænder og knogler vokser; knogler blev aldrig betragtet som væv, der udvikler sig i gradvise, målelige stadier, som tænder og træer. Enhver mulig forbindelse mellem udviklingshastigheden for tænder og knogler var så grundlæggende, at jeg ikke kunne fortælle nogen til nogen på en uge,”siger Bromage, selv til hans kone. Han kontrollerede den histologiske struktur af knogler og tænder i sit laboratorium og fandt, at rytmerne for vækst af tænder og knogler faldt sammen i makaker, får og mennesker.
Hjernens rytme
Hvis rytmerne Bromage så i vækstbåndene hos pattedyrens tænder og knogler var et svar på et vækstsignal, hvor kunne da signalet komme fra? Bromage mener, at dens kilde er den samme del af hjernen, som som allerede er kendt, indstiller døgnrytmrytmen, dvs. hypothalamus. Når alt kommer til alt er længden af de biorytmer, han studerede, altid et multiplum af en hel dag, og det biologiske ur, som allerede er konstateret, påvirker hastigheden af celledeling. Hypothalamus er i stand til at udføre denne funktion, så”hvorfor opfinde et andet, helt nyt instrument?” - et spørgsmål opstod i ham. Noget, måske et stof, der akkumuleres i hypothalamus, kan variere det biologiske ur i en flerdagescyklus. Uanset hvilken del af hjernen der er ansvarlig for dette, "det er bare meningen at tælle," siger Bromage.
Hypothalamus gør også et andet job: det regulerer hypofysen, en hormonproducerende hypofyse, hvis forside regulerer kropsstørrelse, og bagsiden regulerer varigheden af den estriske cyklus. Måske ikke tilfældigt, dette er de eneste to fysiologiske træk, som Bromage opdagede er direkte korreleret med varigheden af den nye biorytme.
Bromage begyndte at teste hans teori. Hvis signalet, der genereres i hjernen, regulerer vækstraten, spekulerer Bromage, skal blodet bære spor af dette signal.
Bromage tilbragte to uger på at opsamle seks ml blodprøver fra svin. Derefter overleverede han 1.700 prøver, han indsamlede fra 33 grise til et uafhængigt laboratorium for at identificere 995 forskellige metabolitter, biokemiske stoffer produceret af kroppen.
Efter at have brugt 300 tusind dollars modtog han svaret: af de 159 mest koncentrerede metabolitter med en bestemt biologisk funktion reflekterede 108 den døgnrytme. Den næste hyppigste rytme var den samme fem-dages rytme, som Bromage identificerede i tænder og knogler hos svin. Kun 55 ud af 159 metabolitter passerede denne cyklus, og først i 20 faldt cyklussen sammen med andre rytmer.
Til hans overraskelse identificerede Bromage to fem-dages cykler med tre dages mellemrum. Den første indeholdt metabolitter forbundet med vækst, og den anden - metabolitter dannet under nedbrydningen af biologiske molekyler. Dette gav mening: Når væksten er overstået, skal metabolitterne gennemgå sammenbrud for at blive tilgængelige til behandling i den næste vækstcyklus. Hvilket et udsøgt designet system, tænkte Bromage, jeg ville aldrig have troet det, hvis jeg ikke havde set det med mine egne øjne!
Han udpegede den nye biorytme til "Havers-Halberg Oscillations". Navnet gives til ære for Clopton Havers, der i slutningen af det 17. århundrede først beskrev lameller af knogler, og hvad der senere skulle blive kendt som Retzius-striberne; og Franz Halberg, en kronobiolog, der døde i 2013 i en alder af 93 år.
Svineproblemet
Når vi ser tilbage, er vi klar over, at det ikke var den smarteste beslutning at navngive rytmen efter Halberg.
Kronobiologer er blevet ekstremt skeptiske over opdagelsen af flerdages biorytmer, siger Roberto Refinetti, en fysiolog ved University of Boise og forfatter af en lærebog om døgnfysiologi. Og vi skylder Halberg meget for dette. Han introducerede selve begrebet "cirkadian". I fremtiden meddelte han imidlertid opdagelsen af længere rytmer uden at præsentere væsentlig dokumentation. "Han var virkelig, som han kunne lide at sige, en bredsynt mand," sagde Refinetti. "Nogle troede, han var endda uden for rammerne."
Refinetti selv forsøgte (og mislykkedes) at identificere en ugentlig rytme i blodtryk og mælkesyrekoncentration hos heste. Han mener, at Bromages fem-dages rytme hos svin kan være resultatet af en menneskelig arbejdsuge, en relativt ny social opfindelse. Desuden siger han, intet i miljøet kunne have været en forudsætning for udviklingen af en ugentlig rytme gennem millioner af år. Kontrast dette med døgnrytmen, som åbenbart opstod som en reaktion på ændringen af dag og nat.
Bromage svarede, at de rytmer, han identificerede sandsynligvis ikke kunne være forårsaget af arbejdsugen, fordi svinene blev holdt under konstante forhold hele tiden. Hvis Bromages teori er korrekt, ville disse rytmer desuden ikke have brug for et flerdages eksternt signal for at udvikle sig, da de er baseret på daglige timer, der kan tælles. Refinetti, tilføjede han, målede sandsynligvis ikke ugentlige rytmer hos heste, fordi han ikke målte hele komplekset forbundet med vækst.
Med hensyn til kritik af Halbergs data sagde Bromage, at han opkaldte rytmen efter ham, fordi han "forkæmpede langsigtede rytmer, når ingen andre på jorden tænkte over det." Men det, siger Bromage, betyder ikke "jeg er enig i alle hans udsagn."
Det er måske vanskeligere at argumentere med statistikken i henhold til Bromages data. På grund af omkostningerne og kompleksiteten måtte eksperimentet udføres på en kortere tidsramme, end Bromage havde håbet. Da der var for få cykler, kunne han ikke statistisk objektivt kontrollere rytmerne. I stedet fik situationen ham til at antage en fem-dages rytme og derefter kontrollere, om denne antagelse var statistisk relevant. Hvis du hævder en fem-dages cyklus, skal du måle mange cyklusser for at have et statistisk grundlag, siger Andrew Liu, en kronobiolog ved University of Memphis.
Bromage var enig i, at eksperimentet havde sine egne mangler.”Vi har virkelig øget det,” siger han. Det ville være vanskeligt at måle blodet fra svin over en længere periode: dyrene blev mere stressede og ved afslutningen af undersøgelsen begyndte de at udvikle infektioner.”Det var en helt ny oplevelse for alle, så det var ikke perfekt, og vi lærte meget,” siger Bromage.
For at få mere nøjagtige data planlægger han at inkludere flere cyklusser i sin næste undersøgelse, hvor han måler blod i rhesus-aber (de har en rytme på fire dage) i en måned. Makakker er vant til blodprøvetagning, tilføjede han, hvilket betyder, at forskere vil tage blodprøver fra dyr, der ikke oplever stressrelaterede problemer som svin.
Bromage bemærkede, at uanset dette identificerede han en fem-dages rytme i en anden type molekyle, der cirkulerer i griseblod: små RNA'er, og de fleste af dem med en fem-dages cyklus har også en biologisk funktion relateret til vækst. Han synes ikke, at denne opdagelse er en tilfældighed. "Chancen for, at dette kan ske, er astronomisk lille," siger han.
To dage gammel rotte
Blodprøver er ikke den eneste måde, hvorpå forskere kan spore biorytmer. Liu fra University of Memphis siger, at hvis han havde pengene, ville han være interesseret i at bestemme flerdagesrytmen hos et stort dyr ved hjælp af det daglige reportergen. Disse gener udløses af døgnrytmen og producerer et molekyle, som biologer kan måle med høj præcision i realtid. Forbindelsen mellem et sådant gen og dyrets hypothalamus kan muligvis afsløre, at døgnrytmen på en eller anden måde varierer i løbet af flerdagesplanen,”siger Liu. "Det er gennemførligt," siger han, "og meget interessant."
Selv hvis metabolittenes rytme bekræftes, siger Liu og andre, betyder det ikke, at han er ansvarlig for kropsstørrelse. Tværtimod kan det ganske enkelt afspejle forskellige vækstrater hos dyr i forskellige størrelser. Som Liu forklarede, betyder det ikke "nødvendigvis, at du markerer noget i blodet, der har rytmer," nødvendigvis.
Bromage var enig. "Dette er bare en hypotese," sagde han, "det kan testes eksperimentelt." For at gøre dette, ønsker han at udsætte de dyrkede celler, der deler sig en gang dagligt, for biologiske faktorer, der kan gøre døgnrytmen til en flere-dags rytme. Når det fungerer, siger han, vil forskere se, om de kan forvandle en "hel rotte til et to dage gammelt dyr."
Andreas von Bubnoff