Tänder Kan Avslöja Hemligheten Med Den Flerdagars Biologiska Klockan - Alternativ Vy

Innehållsförteckning:

Tänder Kan Avslöja Hemligheten Med Den Flerdagars Biologiska Klockan - Alternativ Vy
Tänder Kan Avslöja Hemligheten Med Den Flerdagars Biologiska Klockan - Alternativ Vy

Video: Tänder Kan Avslöja Hemligheten Med Den Flerdagars Biologiska Klockan - Alternativ Vy

Video: Tänder Kan Avslöja Hemligheten Med Den Flerdagars Biologiska Klockan - Alternativ Vy
Video: Kommunfullmäktige 2021-01-26 2024, Mars
Anonim

Små linjer på tandemaljen avslöjar en tidigare okänd biologisk rytm. Om uppgifterna bekräftas kommer detta resultat att hjälpa forskare att förstå varför större djur växer långsammare och lever längre än mindre.

En sommar förra året tugade Timothy Bromage, en paleontolog vid New York University, på en lammkotlett medan han semester på Cypern. Plötsligt hörde han en knas. När ljudet följdes av en skarp smärta, insåg han att han hade brutit en tand.

När han återvände till New York berättade hans tandläkare att han skulle tåla tre månader av ångest om han ville få en tand återställd. "Eller ge mig bara fem minuter," sa läkaren, "och jag drar ut det just nu."

Bromage föredrog borttagning. Således kunde han göra ett tunt snitt av tanden, vilket var vad han hade velat göra i flera år, för att mäta en ny typ av biorytm, som han studerade i permanenta tänder hos däggdjur. Detta är inte en väl studerad døgnsrytm, utan en längre, som skiljer sig från art till art, varar från två dagar till två veckor. Bromage tror att denna rytm kan ställa in tillväxthastigheten hos djur och deras livslängd.

Hos råttor varar biorytmen en dag; i makaker - fyra, hos får - fem, hos människor - från sex till 12 dagar. Bromage bekräftade detta förhållande hos dussintals andra levande och utrotade däggdjur, inklusive asiatiska elefanter, som har en biorytm som varar 14 dagar. (Det finns undantag: till exempel, hundar visar inte detta förhållande.)

I allmänhet är den långsammare rytmen i större däggdjursarter rättfärdigad: stora djur växer långsammare än mindre djur och tillbringar längre perioder. Bromage tror att rytmen i tänder och ben reflekterar en tillväxtsignal som stimulerar celldelningen, som cellerna i kroppen får denna signal med regelbundna intervall. Ju oftare sådana signaler tas emot, desto snabbare växer djuret.

Rytmiska intervall ökar inte bara med kroppsvikt, Bromage fann att det ökar med andra egenskaper som ökar tillsammans med kroppsvikt, till exempel livslängd, amningstid, metabolism, estrostisk cykelvaraktighet och till och med njurstorlek. Detta antyder att genom att mäta tillväxthastigheten för bara en tand, även om det är ett utrotat djur, kommer det att vara möjligt att bestämma inte bara storleken på dess kropp, utan också många av dess andra egenskaper.

"Ge mig någon tand, alla permanenta primatandar - släng bara till mig, berätta inte vilken primat det är - och jag kommer att rekonstruera vilken storlek den hade njurar, hur länge den levde, alla dessa funktioner," säger Bromage. "Det är otroligt vilket fönster med möjligheter detta material öppnar för att hitta nyckeln till livet."

Kampanjvideo:

Efter att ha mottagit det prestigefyllda Max Planck Science-priset med en kollega 2010 spenderade Bromage 750 000 euro på forskning för att avgöra om djurblodprover återspeglar samma rytmer som tänder. Forskningen var dyr och tidskrävande, delvis för att möss och råttor (biologiska billiga arbetshästar) inte har flera dagars rytm och därför inte kan användas som försökspersoner.

Resultaten av hans forskning, publicerad 2016, är ännu inte tillräckligt solida för att bli en upptäckt. Många kronobiologer är skeptiska till dem.

Men”Tänk om han trots allt har rätt?” Frågar Robin Bernstein, antropologbiolog vid University of Colorado i Boulder som har studerat utvecklingen av kroppsstorlek och nu studerar tillväxten av människor och icke-mänskliga primater.”Enligt min mening är han en av de människor som ligger före sin tid,” säger hon. "Kanske finns det inget speciellt här, men det är originalt, riktigt intressant, och jag tror att mycket kan göras med det."

Dentala anslutningar

Bromage blev intresserad av tänder när han var doktorand i mitten av 1980-talet. Vid den tiden visste forskare att på liknande sätt som hur träd bildar årliga ringar, bildas dagliga tillväxtränder på tandemaljen. Under 1930- och 1940-talet upptäckte japanska forskare dem på tänderna på hundar, råttor, grisar och makaker.

Däggdjur har också framträdande ränder som kallas Retzius-ränder. I de tidiga hominiderna som studerades vid den tiden av Bromage separerade sju dagliga band varje Retzius-stam. Ingen visste hur eller varför de bildades, men Bromage kunde använda dem som en markör för att visa att de första permanenta molarna dök upp i tidiga hominider runt treårsåldern, som schimpanser, mycket tidigare än moderna människor. Detta innebar att de tidiga hominiderna inte bara var miniatyrversioner av moderna människor, som man trodde, utan var närmare aporna.

1991 bekräftade Bromage att Retzius linjer i makaker separerades av endast fyra dagliga tillväxtlinjer, i motsats till sju i tidiga hominider. Sedan 2000 insåg han att ben också har ett mönster av periodisk tillväxt. Han fann att ränder, kallade lameller, bildades på råttornas ben på bara en dag. Hur kan detta vara möjligt om mänskliga ben växer mycket långsammare än råttben?

"Det har inte gått ur mitt huvud på flera år," säger Bromage. Och sedan en dag 2008 läste han i en avhandling av en av sina studenter att lameller i benen på makaker bildas på fyra dagar, det vill säga på samma sätt som Retzius-linjerna, som han fann i tänderna på makaker 1991. "Det här minnet från 1991 kom in i mitt sinne precis jag såg nummer fyra," minns han. Kan det vara möjligt, undrade han, att däggdjur har samma tillväxtperioder i tänder och ben? Om så är fallet bör lameller hos människor också bildas på sju dagar, vilket är mycket längre än hos råttor, vilket bara tar en dag att göra det.

Bromage kallade denna idé "ett helt nytt paradigm." Fram till dess trodde man att det inte fanns något samband mellan hur tänder och ben växer; benen ansågs aldrig som vävnad som utvecklas i gradvis mätbara stadier, som tänder och träd. Varje möjlig koppling mellan utvecklingen av tänder och ben var så grundläggande att jag inte kunde berätta någonting för någon på en vecka, säger Bromage, ens till sin fru. Han kontrollerade den histologiska strukturen för ben och tänder i sitt laboratorium och fann att rytmerna för tillväxt av tänder och ben sammanföll i makaker, får och människor.

Hjärnans rytm

Om rytmerna som Bromage såg i tillväxtbanden hos däggdjurens tänder och ben var ett svar på en tillväxtsignal, var kan den signalen komma ifrån? Bromage anser att dess källa är samma del av hjärnan som, som redan är känt, sätter døgnbiorrytmen, det vill säga hypotalamus. När allt kommer omkring är längden på de biorytmer som han studerade alltid en multipel av en hel dag, och den biologiska klockan, som redan har fastställts, påverkar graden av celldelning. Hypotalamusen kan utföra denna funktion, så "varför uppfinna ett annat, helt nytt instrument?" - en fråga uppstod i honom. Något, kanske ett ämne som ackumuleras i hypotalamus, kan variera den biologiska klockan i en flerdagars cykel. Oavsett vilken del av hjärnan som är ansvarig för detta, "det är bara tänkt att räkna", säger Bromage.

Hypothalamus gör ett annat jobb: den reglerar hypofysen, en hormonproducerande hypofys, vars främre del reglerar kroppsstorlek, och ryggen reglerar längden på den estriska cykeln. Kanske inte slumpmässigt, detta är de enda två fysiologiska egenskaper som Bromage upptäckte är direkt korrelerade med varaktigheten för den nya biorytmen.

Bromage började testa sin teori. Om signalen som genereras i hjärnan reglerar tillväxthastigheten, spekulerade Bromage, måste blodet bära spår av denna signal.

Bromage tillbringade två veckor på att samla sex milliliter blodprover från grisar. Sedan överlämnade han 1 700 prover han samlade från 33 grisar till ett oberoende laboratorium för att identifiera 995 olika metaboliter, biokemiska ämnen som produceras av kroppen.

Efter att ha spenderat 300 tusen dollar fick han svaret: av de 159 mest koncentrerade metaboliterna med en specifik biologisk funktion återspeglade 108 den cirkadiska rytmen. Den näst vanligaste rytmen var samma femdagars rytm som Bromage identifierade i grisarnas tänder och ben. Endast 55 av 159 metaboliter passerade denna cykel, och först i 20 sammanföll cykeln med andra rytmer.

Till hans överraskning identifierade Bromage två fem-dagars cykler med tre dagars mellanrum. Den första innehöll metaboliter associerade med tillväxt, och den andra - metaboliter som bildades under nedbrytningen av biologiska molekyler. Detta var meningsfullt: när tillväxten är över måste metaboliter genomgå fördelning för att bli tillgängliga för bearbetning i nästa tillväxtcykel. Vilket ett utsökt designat system, tänkte Bromage, jag skulle aldrig ha trott på det om jag inte hade sett det med mina egna ögon!

Han kallade den nya biorytmen "Havers-Halberg Oscillations". Namnet ges till hedern för Clopton Havers, som i slutet av 1600-talet först beskrev benlameller och vad som senare skulle bli känt som Retziusbanden; och Franz Halberg, en kronobiolog som dog 2013 år 93 år.

Grisproblemet

När vi ser tillbaka ser vi att namnet på rytmen efter Halberg inte var det smartaste beslutet.

Kronobiologer har blivit extremt skeptiska när det gäller upptäckten av fler dagars biorytmer, säger Roberto Refinetti, en fysiolog vid University of Boise och författare till en lärobok om cirkadisk fysiologi. Och vi är mycket skyldiga till Halberg för detta. Han introducerade själva konceptet "circadian". I framtiden meddelade han dock upptäckten av längre rytmer utan att presentera väsentliga bevis. "Han var verkligen, som han gillade att säga, en bredsynt man," sade Refinetti. "Vissa trodde att han till och med var utanför gränserna."

Refinetti själv försökte (och misslyckades) att identifiera en veckorytm i blodtrycket och mjölksyrakoncentrationen hos hästar. Han tror att Bromages femdagars rytm hos svin kan vara resultatet av en mänsklig arbetsvecka, en relativt ny social uppfinning. Dessutom, säger han, kunde ingenting i miljön ha varit en förutsättning för utvecklingen av en veckorytme under miljoner år. Kontrast detta med døgnrytmen, som uppenbarligen uppstod som en reaktion på förändringen av dag och natt.

Bromage svarade att rytmerna som han identifierade troligen inte kunde orsakas av arbetsveckan, eftersom grisarna hölls under konstant förhållanden hela tiden. Dessutom, om Bromages teori är korrekt, skulle dessa rytmer inte behöva en flerdagars extern signal för att utvecklas, eftersom de är baserade på dagliga timmar som kan räknas. Refinetti, tillade han, förmodligen mätte inte veckans rytm hos hästar eftersom han inte mätte hela komplexet förknippat med tillväxt.

När det gäller kritik av Halbergs uppgifter sa Bromage att han uppkallade rytmen efter honom för att han "försvarade långsiktiga rytmer när ingen annan på jorden tänkte på det." Men det, säger Bromage, betyder inte "jag håller med om alla hans uttalanden."

Det är kanske svårare att argumentera med statistiken enligt Bromages data. På grund av kostnaden och komplexiteten måste experimentet genomföras inom en kortare tidsram än Bromage hade hoppats. Eftersom det fanns för få cykler kunde han inte statistiskt objektivt kontrollera rytmerna. Istället fick situationen honom att anta en fem dagars rytm och sedan kontrollera om det antagandet var statistiskt relevant. Om du gör anspråk på en fem-dagars cykel måste du mäta många cykler för att ha en statistisk grund, säger Andrew Liu, en kronobiolog vid University of Memphis.

Bromage enades om att experimentet hade sina egna brister. "Vi rusade verkligen upp det," säger han. Det skulle vara svårt att mäta blod från grisar under en längre period: djuren blev mer stressade och i slutet av studien började de utveckla infektioner. "Det var en helt ny upplevelse för alla, så det var inte perfekt och vi lärde oss mycket," säger Bromage.

För att få mer exakta uppgifter planerar han att inkludera fler cykler i sin nästa studie, under vilken han kommer att mäta blod i rhesusapor (de har en rytm på fyra dagar) under en månad. Makaker är vana vid blodprovtagning, tillade han, vilket innebär att forskare kommer att ta blodprover från djur som inte upplever stressrelaterade problem som svin.

Bromage konstaterade att oavsett detta identifierade han en fem dagars rytm i en annan typ av molekyler som cirkulerar i grisas blod: små RNA och de flesta av de med en fem dagars cykel har också en biologisk funktion relaterad till tillväxt. Han tycker inte att denna upptäckt är en slump. "Chansen att detta kan hända är astronomiskt liten", säger han.

Två dagar gammal råtta

Blodtester är inte det enda sättet forskare kan spåra biorytmer på. Liu, från University of Memphis, säger att om han hade pengar skulle han vara intresserad av att bestämma flerdagarsrytmen hos ett stort djur med den dagliga reportergenen. Dessa gener utlöses av cirkadisk rytm och producerar en molekyl som biologer kan mäta med hög precision i realtid. Föreningen av en sådan gen till djurets hypotalamus kan avslöja att døgnrytmen på något sätt varierar över flerdagsschemat, säger Liu. "Det är genomförbart", säger han, "och väldigt intressant."

Men även om metaboliternas rytm bekräftas, säger Liu och andra forskare, betyder det inte att han är ansvarig för kroppsstorlek. Snarare kan det helt enkelt spegla olika tillväxthastigheter hos djur i olika storlekar. Som Liu förklarade, betyder det inte nödvändigtvis bara för att du markerar något i blodet som har rytmer.

Bromage instämde. "Detta är bara en hypotes," sade han. "Det kan testas experimentellt." För att göra detta vill han underkasta de odlade cellerna, som delas en gång om dagen, för biologiska faktorer som kan förvandla døgnrytmen till en flerdagsrytm. När det fungerar, säger han, kommer forskare se om de kan förvandla en "hel råtta till ett två dagar gammalt djur."

Andreas von Bubnoff

Rekommenderas: