Garis-garis kecil pada enamel gigi menunjukkan irama biologi yang tidak diketahui sebelumnya. Sekiranya data disahkan, penemuan ini akan membantu penyelidik memahami mengapa haiwan yang lebih besar tumbuh lebih lambat dan hidup lebih lama daripada yang lebih kecil.
Pada satu musim panas tahun lalu, Timothy Bromage, ahli paleontologi di University of New York, semasa bercuti di Cyprus, sedang mengunyah seekor domba. Tiba-tiba dia terdengar kerengsaan. Ketika bunyi itu disusuli oleh rasa sakit yang tajam, dia menyedari bahawa dia telah patah gigi.
Ketika dia kembali ke New York, doktor pergigiannya memberitahunya bahawa dia harus menderita tiga bulan penderitaan jika dia ingin gigi dipulihkan. "Atau beri saya hanya lima minit," kata doktor, "dan saya akan mengeluarkannya sekarang."
Bromage memilih penghapusan. Oleh itu, dia dapat membuat potongan gigi yang tipis, itulah yang ingin dia lakukan selama beberapa tahun, untuk mengukur jenis bioritma baru, yang dia pelajari di gigi kekal mamalia. Ini bukan bioritma sirkadian yang dipelajari dengan baik, tetapi yang lebih panjang, berbeza dari spesies ke spesies, berlangsung dari dua hari hingga dua minggu. Bromage percaya bahawa irama ini dapat menetapkan kadar pertumbuhan haiwan dan jangka hayatnya.
Pada tikus, bioritme berlangsung satu hari; dalam kera - empat, pada domba - lima, pada manusia - dari enam hingga 12 hari. Bromage mengesahkan hubungan ini dalam puluhan mamalia lain yang hidup dan pupus, termasuk gajah Asia, yang mempunyai bioritme yang berlangsung selama 14 hari. (Terdapat pengecualian: misalnya, anjing tidak menunjukkan hubungan ini.)
Secara umum, irama yang lebih perlahan pada spesies mamalia yang lebih besar dibenarkan: haiwan besar tumbuh lebih perlahan daripada haiwan yang lebih kecil, menghabiskan masa yang lebih lama. Bromage percaya bahawa irama gigi dan tulang mencerminkan isyarat pertumbuhan yang merangsang kadar pembelahan sel, yang mana sel-sel tubuh menerima isyarat ini secara berkala. Semakin kerap isyarat tersebut diterima, semakin cepat haiwan itu tumbuh.
Selang berirama meningkat bukan hanya dengan berat badan, Bromage mendapati bahawa ia meningkat dengan ciri-ciri lain yang meningkat seiring dengan berat badan, misalnya, dengan jangka hayat, tempoh laktasi, kadar metabolisme, tempoh kitaran estrus dan bahkan ukuran buah pinggang. Ini menunjukkan bahawa dengan mengukur kadar pertumbuhan hanya satu gigi, walaupun ia adalah haiwan yang pupus, mungkin saja menentukan ukuran tubuhnya, tetapi juga banyak ciri-cirinya yang lain.
"Beri saya gigi apa pun, gigi primata yang kekal - hanya lemparkan kepada saya, jangan beritahu saya apa primata itu - dan saya akan membina semula ukuran buah pinggang, berapa lama ia hidup, semua ciri itu," kata Bromage. "Sungguh luar biasa apa peluang membuka bahan ini untuk mencari kunci kehidupan."
Video promosi:
Setelah menerima Hadiah Ilmu Max Planck yang berprestij dengan rakannya pada tahun 2010, Bromage membelanjakan € 750,000 untuk penyelidikan untuk menentukan sama ada sampel darah haiwan mencerminkan irama yang sama dengan gigi. Penyelidikan ini mahal dan memakan masa, juga kerana tikus dan tikus (tenaga kerja biologi yang murah) tidak mempunyai rentak multi-hari dan tidak dapat digunakan sebagai subjek eksperimen.
Hasil penyelidikannya, yang diterbitkan pada tahun 2016, belum cukup kukuh untuk menjadi penemuan. Ramai ahli kronobologi ragu-ragu mengenainya.
Tetapi “Bagaimana jika dia betul-betul?” Tanya Robin Bernstein, ahli biologi antropologi di University of Colorado di Boulder yang telah mengkaji evolusi ukuran badan dan sekarang sedang mengkaji pertumbuhan manusia dan primata bukan manusia. "Pada pendapat saya, dia adalah salah satu dari orang-orang yang mendahului zamannya," katanya. "Mungkin tidak ada yang istimewa di sini, tetapi itu asli, sangat menarik, dan saya rasa banyak yang dapat dilakukan mengenainya."
Sambungan pergigian
Bromage mula berminat dengan gigi ketika dia merupakan pelajar siswazah pada pertengahan 1980-an. Pada masa itu, para saintis tahu bahawa sama seperti pokok membentuk cincin tahunan, garis pertumbuhan setiap hari terbentuk di enamel gigi. Pada tahun 1930-an dan 1940-an, saintis Jepun menemui mereka di gigi anjing, tikus, babi dan monyet.
Mamalia juga mempunyai garis-garis menonjol yang disebut garis Retzius. Pada hominid awal yang dikaji pada masa itu oleh Bromage, tujuh jalur harian memisahkan setiap garis keturunan Retzius. Tidak ada yang tahu bagaimana atau mengapa mereka terbentuk, tetapi Bromage dapat menggunakannya sebagai penanda untuk menunjukkan bahawa geraham kekal pertama muncul pada hominid awal sekitar usia tiga tahun, seperti simpanse, jauh lebih awal daripada manusia moden. Ini bermaksud bahawa hominid awal bukan hanya versi miniatur manusia moden, seperti yang dipercaya ketika itu, tetapi lebih dekat dengan kera.
Pada tahun 1991, Bromage mengesahkan bahawa garis Retzius di kera dipisahkan oleh hanya empat garis pertumbuhan harian, berbanding tujuh di hominid awal. Kemudian pada tahun 2000, dia menyedari bahawa tulang juga mempunyai corak pertumbuhan berkala. Dia mendapati bahawa garis-garis, yang disebut lamellae, terbentuk pada tulang tikus hanya dalam satu hari. Bagaimana ini mungkin berlaku jika tulang manusia tumbuh lebih perlahan daripada tulang tikus?
"Sudah bertahun-tahun tidak keluar dari kepalaku," kata Bromage. Dan pada suatu hari pada tahun 2008, dia membaca dalam disertasi salah seorang muridnya bahawa lamela di tulang kera terbentuk dalam empat hari, iaitu, sama seperti garis Retzius, yang dia temukan di gigi kera pada tahun 1991. "Ingatan tahun 1991 ini terlintas di fikiran saya saat kedua saya melihat nombor empat," kenangnya. Mungkinkah, dia bertanya-tanya, bahawa mamalia mempunyai tempoh pertumbuhan yang sama pada gigi dan tulang? Sekiranya ini terjadi, lamellae pada manusia juga harus terbentuk dalam tujuh hari, yang lebih lama daripada pada tikus, yang hanya memerlukan satu hari untuk melakukannya.
Bromage menyebut idea ini "paradigma baru." Sehingga masa itu, dipercayai bahawa tidak ada hubungan antara bagaimana gigi dan tulang tumbuh; tulang tidak pernah dianggap sebagai tisu yang berkembang secara bertahap dan dapat diukur, seperti gigi dan pokok. Sebarang kemungkinan hubungan antara kadar pertumbuhan gigi dan tulang sangat penting sehingga saya tidak dapat memberitahu siapa pun selama seminggu,”kata Bromage, bahkan kepada isterinya. Dia memeriksa struktur histologi tulang dan gigi di makmalnya dan mendapati bahawa irama pertumbuhan gigi dan tulang bertepatan pada monyet, domba dan manusia.
Irama otak
Sekiranya irama Bromage melihat pada jalur pertumbuhan gigi dan tulang mamalia adalah tindak balas terhadap isyarat pertumbuhan, dari mana datangnya isyarat itu? Bromage percaya bahawa sumbernya adalah bahagian otak yang sama yang, seperti yang telah diketahui, menetapkan bioritme sirkadian, iaitu hipotalamus. Bagaimanapun, panjang bioritme yang dipelajarinya selalu berlipat ganda sepanjang hari, dan jam biologi, seperti yang telah ditentukan, mempengaruhi kadar pembahagian sel. Hipotalamus mampu melakukan fungsi ini, jadi "mengapa mencipta alat yang sama sekali baru?" - timbul persoalan dalam dirinya. Sesuatu, mungkin bahan yang terkumpul di hipotalamus, boleh mengubah jam biologi dalam kitaran berbilang hari. Apa sahaja bahagian otak yang bertanggung jawab untuk ini, "itu hanya dimaksudkan untuk menghitung," kata Bromage.
Hipotalamus juga melakukan pekerjaan lain: ia mengatur kelenjar pituitari, kelenjar pituitari penghasil hormon, yang bahagian depannya mengatur ukuran badan dan bahagian belakangnya mengatur masa kitaran estrus. Mungkin tidak secara kebetulan, ini adalah satu-satunya dua ciri fisiologi yang ditemui oleh Bromage secara langsung dengan tempoh bioritma yang baru.
Bromage mula menguji teorinya. Sekiranya isyarat yang dihasilkan di otak mengatur kadar pertumbuhan, Bromage berspekulasi, maka darah mesti membawa jejak isyarat ini.
Bromage menghabiskan dua minggu untuk mengumpulkan enam mililiter sampel darah dari babi. Kemudian dia menyerahkan 1,700 sampel yang dikumpulkannya dari 33 babi ke makmal bebas untuk mengenal pasti 995 metabolit yang berbeza, bahan biokimia yang dihasilkan oleh badan.
Setelah menghabiskan 300 ribu dolar, dia mendapat jawapan: daripada 159 metabolit yang paling pekat dengan fungsi biologi tertentu, 108 mencerminkan irama sirkadian. Irama paling kerap seterusnya adalah irama lima hari yang sama yang dikenal pasti oleh Bromage pada gigi dan tulang babi. Hanya 55 daripada 159 metabolit yang melalui kitaran ini, dan hanya pada 20 kitaran yang bertepatan dengan irama lain.
Yang mengejutkannya, Bromage mengenal pasti dua kitaran lima hari yang berjarak tiga hari. Yang pertama mengandungi metabolit yang berkaitan dengan pertumbuhan, dan yang kedua - metabolit yang terbentuk semasa pemecahan molekul biologi. Ini masuk akal: ketika pertumbuhan sudah berakhir, metabolit harus mengalami pemecahan agar dapat diproses dalam kitaran pertumbuhan berikutnya. Apa sistem yang direka dengan indah, Bromage berfikir. Saya tidak akan pernah mempercayainya jika saya tidak melihatnya dengan mata saya sendiri!
Dia menamakan bioritme baru "Havers-Halberg Oscillations". Nama itu diberikan untuk menghormati Clopton Havers, yang, pada akhir abad ke-17, pertama kali menggambarkan lamellae tulang dan apa yang kemudiannya akan dikenali sebagai garis-garis Retzius; dan Franz Halberg, ahli kronologi yang meninggal pada tahun 2013 pada usia 93 tahun.
Masalah babi
Melihat ke belakang, kami menyedari bahawa menamakan irama selepas Halberg bukanlah keputusan paling bijak.
Ahli kronobiologi menjadi sangat ragu-ragu terhadap penemuan bioritme multi-hari, kata Roberto Refinetti, seorang ahli fisiologi di University of Boise dan pengarang buku teks mengenai fisiologi sirkadian. Dan kami berhutang banyak kepada Halberg untuk ini. Dia memperkenalkan konsep "sirkadian". Namun, di masa depan, dia mengumumkan penemuan irama yang lebih panjang, tanpa mengemukakan bukti yang besar. "Dia benar-benar, seperti yang dia suka katakan, seorang yang berpikiran luas," kata Refinetti. "Ada yang menyangka dia bahkan di luar batas."
Refinetti sendiri berusaha (dan gagal) untuk mengenal pasti irama mingguan dalam tekanan darah dan kepekatan asid laktik pada kuda. Dia percaya bahawa irama Bromage selama lima hari pada babi mungkin merupakan hasil minggu kerja manusia, penemuan sosial yang agak baru. Lebih-lebih lagi, katanya, tidak ada yang dapat menjadi prasyarat untuk pengembangan irama mingguan selama berjuta-juta tahun. Bezakannya dengan irama sirkadian, yang jelas muncul sebagai reaksi terhadap perubahan siang dan malam.
Bromage menjawab bahawa irama yang dikenal pasti kemungkinannya tidak disebabkan oleh minggu kerja, kerana babi dipelihara dalam keadaan berterusan sepanjang masa. Lebih-lebih lagi, jika teori Bromage betul, maka irama ini tidak memerlukan isyarat luaran berbilang hari untuk berkembang, kerana ia berdasarkan jam harian yang dapat dihitung. Refinetti, tambahnya, mungkin tidak mengukur irama mingguan pada kuda kerana dia tidak mengukur keseluruhan kompleks yang berkaitan dengan pertumbuhan.
Dari segi kritikan terhadap data Halberg, Bromage mengatakan dia menamakan irama itu setelah dia "memperjuangkan irama jangka panjang ketika tidak ada orang lain di bumi yang memikirkannya." Tetapi itu, kata Bromage, tidak bermaksud "Saya setuju dengan semua pernyataannya."
Mungkin lebih sukar untuk berdebat, mungkin, dengan statistik mengikut data Bromage. Oleh kerana kos dan kerumitan, percobaan harus dilakukan dalam jangka waktu yang lebih pendek daripada yang diharapkan Bromage. Oleh kerana terlalu sedikit kitaran, dia tidak dapat memeriksa irama secara objektif secara statistik. Sebaliknya, keadaan mendorongnya untuk mengambil irama lima hari, dan kemudian memeriksa apakah anggapan itu relevan secara statistik. Sekiranya anda menuntut kitaran lima hari, anda mesti mengukur banyak kitaran untuk mempunyai asas statistik, kata Andrew Liu, ahli kronologi di University of Memphis.
Bromage bersetuju bahawa eksperimen itu mempunyai kekurangannya sendiri. "Kami benar-benar mempercepatnya," katanya. Akan sukar untuk mengukur darah babi dalam jangka masa yang lebih lama: haiwan menjadi lebih tertekan dan pada akhir kajian mereka mulai mengalami jangkitan. "Ini adalah pengalaman yang sama sekali baru untuk semua orang, jadi itu tidak sempurna dan kami belajar banyak," kata Bromage.
Untuk mendapatkan data yang lebih tepat, dia berencana untuk memasukkan lebih banyak kitaran dalam kajian berikutnya, di mana dia akan mengukur darah di monyet rhesus (mereka mempunyai irama empat hari) selama sebulan. Makau terbiasa dengan pengambilan sampel darah, tambahnya, yang bermaksud para saintis akan mengambil sampel darah dari haiwan yang tidak mengalami masalah tekanan seperti babi.
Bromage menyatakan bahawa, tanpa mengira hal ini, dia mengenal pasti irama lima hari dalam jenis molekul lain yang beredar dalam darah babi: RNA kecil, dan kebanyakan mereka yang mempunyai kitaran lima hari juga mempunyai fungsi biologi yang berkaitan dengan pertumbuhan. Dia tidak menganggap penemuan ini adalah kebetulan. "Kemungkinan perkara ini dapat terjadi adalah kecil secara astronomi," katanya.
Tikus berusia dua hari
Ujian darah bukan satu-satunya cara para saintis dapat mengesan bioritme. Liu, dari University of Memphis, mengatakan bahawa jika dia mempunyai wang, dia akan tertarik untuk menentukan irama multi-hari pada binatang besar menggunakan gen wartawan harian. Gen ini dipicu oleh irama sirkadian dan menghasilkan molekul yang dapat diukur oleh ahli biologi dengan ketepatan tinggi dalam masa nyata. Hubungan gen semacam itu dengan hipotalamus haiwan dapat menunjukkan bahawa irama sirkadian entah bagaimana berbeza mengikut jadual multi-hari,”kata Liu. "Ini boleh dilakukan," katanya, "dan sangat menarik."
Tetapi, walaupun irama metabolit disahkan, Liu dan saintis lain mengatakan, ini tidak bermaksud bahawa dia bertanggungjawab terhadap ukuran badan. Sebaliknya, ia mungkin menggambarkan kadar pertumbuhan yang berbeza pada haiwan dengan pelbagai ukuran. Seperti yang dijelaskan Liu, "hanya kerana anda menandakan sesuatu dalam darah yang mempunyai irama tidak semestinya bermaksud," itulah sebabnya.
Bromage bersetuju. "Ini hanya hipotesis," katanya. "Ia boleh diuji secara eksperimen." Untuk melakukan ini, dia ingin menundukkan sel-sel yang tumbuh, membahagi sekali sehari, kepada faktor biologi yang dapat mengubah irama sirkadian menjadi irama multi-hari. Setelah berjaya, katanya, para saintis akan melihat apakah mereka dapat mengubah "tikus utuh menjadi binatang berusia dua hari."
Andreas von Bubnoff
