Τα δόντια μπορεί να αποκαλύπτουν ένα βιολογικό ρολόι πολλών ημερών

Μια καλοκαιρινή μέρα πέρυσι, ο Timothy Bromage, ένας παλαιοανθρωπολόγος στο Πανεπιστήμιο της Νέας Υόρκης, μασούσε ένα αρνάκι γλειφιτζούρι ενώ έκανε διακοπές στην Κύπρο. Ξαφνικά, άκουσε ένα ποπ. Όταν ακολούθησε οξύς πόνος, συνειδητοποίησε ότι είχε ραγίσει έναν γομφίο.

Πίσω στη Νέα Υόρκη, ο οδοντίατρός του είπε ότι θα είχε τρεις κολασμένους μήνες αν το δόντι επισκευαζόταν. «Ή απλά δώστε μου πέντε λεπτά», είπε ο οδοντίατρος. "Θα το βγάλω αμέσως."

Ο Bromage επέλεξε να το βγάλει. Με αυτόν τον τρόπο, θα μπορούσε να κάνει μια λεπτή τομή από το δόντι, κάτι που ήθελε να κάνει εδώ και χρόνια, για να μετρήσει ένα νέο είδος βιορυθμού που μελετούσε στα μόνιμα δόντια των θηλαστικών. Αυτός δεν είναι ο καλά μελετημένος κιρκάδιος ρυθμός, αλλά μεγαλύτερος που ποικίλλει, ανάλογα με το είδος, από δύο έως 14 ημέρες. Ο Bromage πιστεύει ότι μπορεί να καθορίσει τον ρυθμό για το πόσο γρήγορα μεγαλώνουν τα ζώα και πόσο καιρό ζουν.

Ο βιορυθμός διαρκεί για μία ημέρα στους αρουραίους. τέσσερις μέρες σε μακάκους? πέντε μέρες στα πρόβατα. και έξι έως 12 ημέρες στον άνθρωπο. Το Bromage έχει επιβεβαιώσει αυτή τη σχέση σε δεκάδες άλλα ζωντανά και απολιθωμένα είδη θηλαστικών, συμπεριλαμβανομένων των ασιατικών ελεφάντων, που έχουν ρυθμό 14 ημερών. (Υπάρχουν εξαιρέσεις:Οι σκύλοι, για παράδειγμα, δεν φαίνεται να ακολουθούν τη σχέση.)

Ένας γενικά πιο αργός ρυθμός σε μεγαλύτερα είδη θηλαστικών είχε νόημα:Τα μεγαλύτερα ζώα αναπτύσσονται πιο αργά από τα μικρότερα ζώα, μόνο για μεγαλύτερες περιόδους. Ο Bromage πιστεύει ότι ο ρυθμός στα δόντια και τα οστά αντανακλά ένα σήμα ανάπτυξης για την αύξηση του ρυθμού κυτταρικής διαίρεσης, ένα σήμα που λαμβάνουν οι ιστοί του σώματος σε τακτά χρονικά διαστήματα. Όσο πιο συχνά λαμβάνονται τέτοια σήματα, τόσο πιο γρήγορα μεγαλώνει το ζώο.

Όχι μόνο το ρυθμικό διάστημα αυξάνεται με τη μάζα σώματος, αλλά ο Bromage διαπίστωσε ότι αυξάνεται επίσης μαζί με άλλα χαρακτηριστικά που είναι γνωστό ότι αυξάνονται με τη μάζα σώματος, όπως η διάρκεια ζωής, η διάρκεια της γαλουχίας, ο μεταβολικός ρυθμός, η διάρκεια του οιστρικού κύκλου και ακόμη και το μέγεθος των νεφρών. Αυτό υποδηλώνει ότι μόνο με τη μέτρηση του ρυθμού ανάπτυξης ενός δοντιού, ακόμη και από ένα απολιθωμένο θηλαστικό, μπορεί να είναι δυνατό να προσδιοριστεί όχι μόνο το μέγεθος του σώματός του αλλά και πολλά άλλα σχετικά χαρακτηριστικά.

«Ρίξτε οποιοδήποτε δόντι, οποιοδήποτε μόνιμο δόντι ενός πρωτεύοντος θηλαστικού - απλώς πετάξτε το πάνω μου, μην μου πείτε καν τι είναι το πρωτεύον θηλαστικό - και θα ανακατασκευάσω το μέγεθος των νεφρών, τη διάρκεια ζωής και όλα αυτά», είπε ο Bromage. "Είναι απίστευτο τι παράθυρο ευκαιρίας παρέχει αυτό το υλικό για την κατανόηση του κλειδιού της ζωής."

Αφού κέρδισε το διάσημο βραβείο έρευνας Max Planck με έναν συνάδελφό του το 2010, χρησιμοποίησε το βραβείο των 750.000 ευρώ για να μελετήσει εάν τα δείγματα αίματος από ζώα αντικατοπτρίζουν τους ίδιους ρυθμούς με τα δείγματα δοντιών. Η εργασία ήταν δαπανηρή και χρονοβόρα — ειδικά επειδή τα ποντίκια και οι αρουραίοι, τα φτηνά άλογα εργασίας της βιολογίας, δεν έχουν πολυήμερο ρυθμό και επομένως δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν.

Τα αποτελέσματά του, που δημοσιεύθηκαν στις αρχές του τρέχοντος έτους, δεν είναι ακόμη αρκετά ισχυρά για να διεκδικήσουν μια ανακάλυψη. Και πολλοί χρονοβιολόγοι παραμένουν δύσπιστοι.

Ακόμα, «Κι αν έχει δίκιο;» ρώτησε ο Robin Bernstein, ένας βιολογικός ανθρωπολόγος στο Πανεπιστήμιο του Κολοράντο, Boulder, ο οποίος έχει μελετήσει την εξέλιξη του μεγέθους του σώματος και που τώρα μελετά την ανάπτυξη σε ανθρώπους και μη ανθρώπινα πρωτεύοντα. «Νομίζω ότι είναι ένας από αυτούς τους ανθρώπους που είναι μπροστά από την εποχή του», είπε. "Μπορεί να φαίνεται ότι δεν είναι τίποτα, αλλά είναι πρωτότυπο, είναι πραγματικά ενδιαφέρον και νομίζω ότι πρέπει να γίνουν πολλά περισσότερα με αυτό."

Η σύνδεση των οστών

Ο Bromage άρχισε να ενδιαφέρεται για τα δόντια ως μεταπτυχιακός φοιτητής στα μέσα της δεκαετίας του 1980. Εκείνη την εποχή, οι ερευνητές γνώριζαν ότι όπως τα δέντρα κάνουν ετήσιους δακτυλίους καθώς μεγαλώνουν, έτσι και το σμάλτο των δοντιών δημιουργεί καθημερινές λωρίδες ανάπτυξης. Ιάπωνες ερευνητές τα είχαν βρει στις δεκαετίες του 1930 και του 1940 στα δόντια σκύλων, αρουραίων, χοίρων και μακάκων.

Τα δόντια των θηλαστικών έχουν επίσης ευδιάκριτες ρίγες που ονομάζονται γραμμές Retzius. Στα πρώτα ανθρωποειδή που μελετούσε τότε ο Bromage, επτά καθημερινές ρίγες χώριζαν κάθε γραμμή Retzius. Κανείς δεν ήξερε πώς ή γιατί σχηματίστηκαν, αλλά ο Bromage μπόρεσε να τους χρησιμοποιήσει ως δείκτη για να δείξει ότι οι πρώιμοι ανθρωπίνοι έκρηξαν τους πρώτους μόνιμους γομφίους τους γύρω στην ηλικία των 3 ετών, στην ίδια ηλικία με τους χιμπατζήδες - πολύ νεότερους από τους σύγχρονους ανθρώπους. Αυτό σήμαινε ότι οι πρώιμοι ανθρωπίνοι δεν ήταν απλώς μικροσκοπικές εκδοχές των σύγχρονων ανθρώπων, όπως πιστευόταν εκείνη την εποχή, αλλά περισσότερο παρόμοιοι με τους πιθήκους.

Το 1991, ο Bromage επιβεβαίωσε ότι οι γραμμές Retzius στους μακάκους χωρίζονταν μόνο από τέσσερις γραμμές ημερήσιας ανάπτυξης — όχι επτά όπως είχε δει στα πρώτα ανθρωποειδή. Στη συνέχεια, το 2000, συνειδητοποίησε ότι τα οστά έχουν επίσης ένα πρότυπο περιοδικής ανάπτυξης. Βρήκε ότι οι λωρίδες, που ονομάζονται ελάσματα, στα οστά των αρουραίων μεγαλώνουν σε μία μόνο μέρα. Αυτό που τον μπέρδεψε ήταν ότι τα ελάσματα των αρουραίων ήταν το ίδιο παχιά με τα ανθρώπινα φύλλα. Πώς θα μπορούσε να είναι αυτό, δεδομένου ότι τα ανθρώπινα οστά αναπτύσσονται πολύ πιο αργά από τα οστά αρουραίου;

«Για χρόνια και χρόνια και χρόνια αυτό με ενοχλούσε», είπε ο Bromage. Και τότε μια μέρα το 2008, διάβασε στο Ph.D. διατριβή ενός από τους μαθητές του ότι τα ελάσματα των οστών του μακάκου χρειάζονται τέσσερις ημέρες για να αναπτυχθούν — ακριβώς όπως οι γραμμές Retzius που είχε δει το 1991 στα δόντια του μακάκου. «Αυτή η ανάμνηση από το 1991 πλημμύρισε στο μυαλό μου τη στιγμή που είδα τον αριθμό τέσσερα», θυμάται. Θα μπορούσε, αναρωτήθηκε, ότι τα θηλαστικά έχουν τις ίδιες περιόδους ανάπτυξης σε οστά και δόντια; Εάν συνέβαινε αυτό, τότε τα ανθρώπινα ελάσματα θα χρειαστούν επτά ημέρες για να αναπτυχθούν, πολύ περισσότερο από τη μία ημέρα που χρειάζονται οι αρουραίοι.

Ο Bromage ονόμασε αυτή την ιδέα «ένα εντελώς νέο παράδειγμα». Μέχρι τότε, πιστευόταν ότι δεν υπήρχε σχέση μεταξύ του τρόπου με τον οποίο μεγαλώνουν τα οστά και τα δόντια. Τα οστά δεν είχαν ποτέ θεωρηθεί ως ιστός που αναπτύσσεται σε σταδιακά, μετρήσιμα βήματα όπως τα δόντια και τα δέντρα. Οποιαδήποτε πιθανή σύνδεση μεταξύ του χρόνου ανάπτυξης των δοντιών και των οστών ήταν «τόσο θεμελιώδης», είπε, «που δεν μπορούσα να πω τίποτα σε κανέναν για μια ολόκληρη εβδομάδα», ούτε καν στη σύζυγό του. Έλεγξε ιστολογικά τμήματα οστών και δοντιών στο εργαστήριό του και διαπίστωσε ότι πράγματι, οι ρυθμοί ανάπτυξης των οστών και των δοντιών ήταν οι ίδιοι στους μακάκους, τα πρόβατα και τους ανθρώπους.

The Brain’s Beat

Εάν οι ρυθμοί που είδε ο Bromage στις λωρίδες ανάπτυξης των δοντιών και των οστών των θηλαστικών ήταν η απόκριση σε ένα σήμα ανάπτυξης, από πού θα μπορούσε να προέλθει αυτό το σήμα; Ο Bromage πιστεύει ότι η πηγή του είναι το ίδιο μέρος του εγκεφάλου που είναι ήδη γνωστό ότι παράγει τον κιρκάδιο ρυθμό, τον υποθάλαμο. Άλλωστε, είπε, το μήκος των βιορυθμών που έχει μελετήσει είναι πάντα πολλαπλάσιο των ολόκληρων ημερών και το κιρκάδιο ρολόι είναι ήδη γνωστό ότι επηρεάζει τον ρυθμό κυτταρικής διαίρεσης. Ο υποθάλαμος μπορεί να κάνει τη δουλειά, οπότε «γιατί να εφεύρουμε ένα εντελώς νέο κιτ εργαλείων;», ρώτησε. Κάτι, ίσως μια ουσία που συσσωρεύεται στον υποθάλαμο, θα μπορούσε να ρυθμίσει το κιρκάδιο ρολόι σε έναν πολυήμερο κύκλο. Ό,τι κι αν ευθύνεται στον εγκέφαλο, "το μόνο που πρέπει να κάνει είναι να μετράει", είπε ο Bromage.

Ο υποθάλαμος ταιριάζει επίσης με έναν άλλο τρόπο:Ρυθμίζει την υπόφυση, έναν αδένα ορμονών του οποίου η μπροστινή περιοχή ρυθμίζει το μέγεθος του σώματος ενώ η πλάτη ρυθμίζει τη διάρκεια των οιστρικών κύκλων. Ίσως όχι τυχαία, αυτά είναι τα μόνα δύο φυσιολογικά χαρακτηριστικά που ο Bromage βρήκε ότι συσχετίζονται άμεσα με το μήκος του νέου βιορυθμού.

Ο Bromage ξεκίνησε να δοκιμάσει τη θεωρία του. Εάν ένα σήμα που δημιουργείται από τον εγκέφαλο ρυθμίζει τον ρυθμό ανάπτυξης, σκέφτηκε ο Bromage, το αίμα θα πρέπει να φέρει ίχνη αυτού του σήματος.

Ο Bromage πέρασε δύο εβδομάδες συλλέγοντας δείγματα αίματος έξι χιλιοστόλιτρων από χοίρους. Στη συνέχεια έστειλε τα 1.700 δείγματα που είχε συλλέξει από 33 χοίρους σε ένα ανεξάρτητο εργαστήριο για να μετρήσει 995 διαφορετικούς μεταβολίτες — βιοχημικές ουσίες που παράγονται από το σώμα.

Αφού ξόδεψε 300.000 δολάρια, είχε την απάντηση:Από τους 159 πιο υψηλής συγκέντρωσης μεταβολίτες με γνωστή βιολογική λειτουργία, οι 108 έδειχναν καθημερινό ρυθμό. Ο επόμενος πιο συνηθισμένος ρυθμός ήταν πράγματι ο ίδιος ρυθμός πέντε ημερών που είχε βρει ο Bromage στα δόντια και τα οστά των γουρουνιών. Συνολικά 55 από τους 159 μεταβολίτες κύκλωναν με αυτόν τον τρόπο, ενώ μόνο 20 έκαναν κύκλο με άλλους ρυθμούς.

Προς έκπληξή του, βρήκε δύο πενθήμερους κύκλους, ο καθένας τους χωρίζονταν με τρεις ημέρες. Το πρώτο περιείχε μεταβολίτες που σχετίζονται με την ανάπτυξη, ενώ το δεύτερο περιείχε μεταβολίτες που σχηματίζονται όταν διασπώνται τα βιολογικά μόρια. Αυτό ήταν λογικό:Μόλις τελειώσει η ανάπτυξη, οι μεταβολίτες πρέπει να διασπαστούν ώστε να καταστούν διαθέσιμοι για ανακύκλωση στον επόμενο κύκλο ανάπτυξης. «Τι κομψό σύστημα», είπε ο Bromage. «Δεν θα το σκεφτόσουν ποτέ αν δεν το έβλεπες!»

Ονόμασε τον νέο βιορυθμό «Ταλάντωση Havers-Halberg». Το όνομα τιμά τον Κλόπτον Χάβερς, ο οποίος στα τέλη του 17ου αιώνα περιέγραψε για πρώτη φορά τα ελάσματα των οστών και αυτό που αργότερα έγινε γνωστό ως ρίγες Retzius, και τον Φραντς Χάλμπεργκ, χρονοβιολόγο στο Πανεπιστήμιο της Μινεσότα και ιδρυτή της χρονοβιολογίας, ο οποίος πέθανε το 2013 στο ηλικίας 93.

Το πρόβλημα με τους χοίρους

Εκ των υστέρων, η ονομασία του ρυθμού από τον Χάλμπεργκ μπορεί να μην ήταν η πιο σοφή επιλογή.

Οι χρονοβιολόγοι έχουν γίνει πολύ δύσπιστοι για τους ισχυρισμούς περί πολυήμερων βιορυθμών, είπε ο Roberto Refinetti, φυσιολόγος στο Boise State University και συγγραφέας ενός εγχειριδίου για την κιρκαδική φυσιολογία. Αυτό οφείλεται σε μεγάλο βαθμό στον Χάλμπεργκ. Στην αρχή της καριέρας του, ο Χάλμπεργκ ήταν πρωτοπόρος της χρονοβιολογίας. Επινόησε μάλιστα τη λέξη «κιρκάδιος». Ωστόσο αργότερα στη ζωή του ισχυρίστηκε ότι έβλεπε ρυθμούς μεγαλύτερης περιόδου χωρίς πολλά στοιχεία. «Ήταν πραγματικά — του άρεσε να λέει ανοιχτόμυαλος», είπε ο Refinetti. "Μερικοί άνθρωποι νόμιζαν ότι πήγαινε πέρα ​​από αυτό."

Ο Ρεφινέτι προσπάθησε ο ίδιος - και απέτυχε - να βρει έναν εβδομαδιαίο ρυθμό στην αρτηριακή πίεση και τη συγκέντρωση γαλακτικού οξέος στο αίμα των αλόγων. Πιστεύει ότι ο ρυθμός των πέντε ημερών στους χοίρους που βρήκε ο Bromage μπορεί να προκλήθηκε από την ανθρώπινη εβδομάδα εργασίας, μια σχετικά πρόσφατη κοινωνική εφεύρεση. Επιπλέον, είπε, τίποτα στο περιβάλλον δεν θα μπορούσε να καθοδηγήσει έναν εβδομαδιαίο ρυθμό να εξελιχθεί σε εκατομμύρια χρόνια. Αντιπαραθέστε αυτό με τον κιρκάδιο ρυθμό, ο οποίος προφανώς προέκυψε ως απάντηση στον κύκλο ημέρας-νύχτας.

Ο Bromage απάντησε ότι οι ρυθμοί που βρήκε είναι απίθανο να προκληθούν από την εβδομάδα εργασίας, επειδή τα γουρούνια διατηρούνταν σε σταθερές συνθήκες ανά πάσα στιγμή. Επιπλέον, οι ρυθμοί δεν θα χρειάζονταν μια πολυήμερη περιβαλλοντική ένδειξη για να εξελιχθούν εάν η θεωρία του Bromage είναι σωστή:ότι βασίζονται στο κιρκάδιο ρολόι, ίσως μετρώντας το. Ο Ρεφινέτι, πρόσθεσε, πιθανότατα δεν είδε εβδομαδιαίο ρυθμό στα άλογα επειδή δεν μέτρησε ενώσεις που σχετίζονται με την ανάπτυξη.

Όσον αφορά την κριτική των δεδομένων του Χάλμπεργκ, ο Μπρομάτζ είπε ότι ονόμασε τον ρυθμό από αυτόν επειδή ο Χάλμπεργκ «πρωταθλητής ρυθμών μεγάλης περιόδου όταν κανείς άλλος στον πλανήτη δεν θα το έκανε». Αυτό, είπε ο Bromage, δεν σημαίνει "Συμφωνώ με όλα όσα είπε."

Πιο προκλητικές, ίσως, είναι οι στατιστικές ανησυχίες με τα δεδομένα του Bromage. Το κόστος και η δυσκολία του πειράματος το ανάγκασαν να είναι πιο σύντομο από όσο θα ήθελε. Επειδή υπήρχαν πολύ λίγοι κύκλοι, δεν μπορούσε να ελέγξει στατιστικά για ρυθμούς με αμερόληπτο τρόπο. Αντίθετα, η κατάσταση τον ανάγκασε να πάρει έναν ρυθμό πέντε ημερών και στη συνέχεια να ελέγξει αν αυτή η υπόθεση είναι στατιστικά σημαντική. Αλλά αν θέλετε να διεκδικήσετε έναν κύκλο πέντε ημερών, πρέπει να μετρήσετε πολλαπλούς κύκλους για στατιστικούς λόγους, είπε ο Andrew Liu, χρονοβιολόγος στο Πανεπιστήμιο του Μέμφις.

Ο Bromage συμφώνησε ότι το πείραμα είχε ελλείψεις. «Το πιέζαμε πραγματικά», είπε. Θα ήταν δύσκολο να μετρηθεί το αίμα των χοίρων για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα:τα ζώα γίνονταν ολοένα και περισσότερο άγχος και λοιμώξεις άρχισαν να εμφανίζονται προς το τέλος της μελέτης. "Ήταν μια εντελώς νέα εμπειρία για όλους, επομένως δεν έγινε τέλεια και μάθαμε πολλά", είπε ο Bromage.

Για να αποκτήσει καλύτερα δεδομένα, σχεδιάζει να συμπεριλάβει περισσότερους κύκλους στην επόμενη μελέτη του, μετρώντας αίμα από μακάκους ρέζους - που έχουν ρυθμό τετραήμερου - για ένα μήνα. Οι μακάκοι εκπαιδεύονται να λαμβάνουν το αίμα τους, πρόσθεσε, κάτι που θα επιτρέψει στους ερευνητές να λαμβάνουν δείγματα από ζώα που δεν αντιμετωπίζουν τα ίδια προβλήματα που σχετίζονται με το στρες με τους χοίρους.

Ο Bromage σημείωσε ότι είχε βρει ανεξάρτητα έναν ρυθμό πέντε ημερών σε έναν άλλο τύπο μορίου που κυκλοφορεί στο αίμα των χοίρων:τα μικρά RNA και τα περισσότερα από αυτά με ρυθμό πέντε ημερών έχουν επίσης μια βιολογική λειτουργία που σχετίζεται με την ανάπτυξη. Δεν πιστεύει ότι η ανακάλυψη ήταν σύμπτωση. "Η πιθανότητα να συμβεί αυτό είναι αστρονομικά χαμηλή", είπε.

Ο αρουραίος των δύο ημερών

Οι εξετάσεις αίματος δεν είναι ο μόνος τρόπος με τον οποίο οι ερευνητές μπορούν να παρακολουθούν τους ρυθμούς. Ο Liu, από το Πανεπιστήμιο του Μέμφις, είπε ότι αν είχε τα χρήματα, ίσως θα ήθελε να αναζητήσει έναν πιο μακροπρόθεσμο ρυθμό σε ένα μεγάλο ζώο χρησιμοποιώντας ένα κιρκαδικό γονίδιο αναφοράς. Τέτοια γονίδια ενεργοποιούνται από τον κιρκάδιο ρυθμό και παράγουν ένα μόριο που οι βιολόγοι μπορούν να μετρήσουν με μεγάλη ακρίβεια σε πραγματικό χρόνο. Η σύνδεση ενός τέτοιου γονιδίου στον υποθάλαμο ενός ζώου μπορεί να αποκαλύψει ότι ο κιρκάδιος ρυθμός του διαμορφώνεται κατά κάποιο τρόπο σε ένα πολυήμερο πρόγραμμα, είπε ο Liu. "Αυτό μπορεί να γίνει", είπε, "νομίζω ότι είναι πολύ ενδιαφέρον."

Ωστόσο, ακόμα κι αν ο ρυθμός του μεταβολίτη αποδειχθεί πραγματικός, είπε ο Liu και άλλοι, αυτό δεν σημαίνει ότι ρυθμίζει το μέγεθος του σώματος. Αντίθετα, μπορεί απλώς να αντικατοπτρίζει τις διαφορετικές ταχύτητες ανάπτυξης σε ζώα διαφορετικών μεγεθών. Όπως εξήγησε ο Liu, "απλά επειδή βλέπεις κάτι στο αίμα με ρυθμούς δεν σημαίνει απαραίτητα" ότι είναι αιτία.

Ο Bromage συμφώνησε. «Είναι απλώς μια υπόθεση», είπε. «Δοκιμάζεται». Για να το δοκιμάσει, θέλει να εκθέσει τα καλλιεργημένα κύτταρα που διαιρούνται μία φορά την ημέρα σε βιολογικούς παράγοντες που μπορεί να μετατρέψουν τον κιρκάδιο ρυθμό των κυττάρων σε πολυήμερο ρυθμό. Μόλις αυτό λειτουργήσει, είπε, τότε οι ερευνητές μπορούν να δουν αν μπορούν να μετατρέψουν έναν "ολόκληρο αρουραίο σε ζώο δύο ημερών".