Piccole linee sullo smalto dei denti rivelano un ritmo biologico precedentemente sconosciuto. Se i dati saranno confermati, questa scoperta aiuterà i ricercatori a capire perché gli animali più grandi crescono più lentamente e vivono più a lungo di quelli più piccoli.
Un'estate dell'anno scorso, Timothy Bromage, un paleontologo dell'Università di New York, mentre era in vacanza a Cipro, stava masticando una costoletta di agnello. All'improvviso sentì uno scricchiolio. Quando il suono fu seguito da un dolore acuto, si rese conto di aver rotto un dente.
Quando è tornato a New York, il suo dentista gli ha detto che avrebbe dovuto sopportare tre mesi di agonia se avesse voluto restaurare un dente. "Oppure dammi solo cinque minuti", disse il dottore, "e lo tirerò fuori subito".
Eliminazione preferita di Bromage. È stato così in grado di eseguire un taglio sottile del dente, che è quello che voleva fare da diversi anni, per misurare un nuovo tipo di bioritmo, che ha studiato nei denti permanenti dei mammiferi. Questo non è un bioritmo circadiano ben studiato, ma più lungo, diverso da specie a specie, che dura da due giorni a due settimane. Bromage crede che questo ritmo possa determinare il tasso di crescita degli animali e la loro durata di vita.
Nei ratti, il bioritmo dura un giorno; nei macachi - quattro, nelle pecore - cinque, negli esseri umani - da sei a 12 giorni. Il bromaggio ha confermato questa relazione in dozzine di altri mammiferi viventi ed estinti, inclusi gli elefanti asiatici, che hanno un bioritmo che dura 14 giorni. (Ci sono eccezioni: ad esempio, i cani non mostrano questa relazione.)
In generale, il ritmo più lento nelle specie di mammiferi più grandi è giustificato: i grandi animali crescono più lentamente degli animali più piccoli, trascorrendo periodi più lunghi. Bromage ritiene che il ritmo dei denti e delle ossa rifletta un segnale di crescita che stimola il tasso di divisione cellulare, che le cellule del corpo ricevono questo segnale a intervalli regolari. Più spesso vengono ricevuti tali segnali, più velocemente l'animale cresce.
L'intervallo ritmico aumenta non solo con il peso corporeo, Bromage ha scoperto che aumenta con altre caratteristiche che aumentano insieme al peso corporeo, ad esempio l'aspettativa di vita, la durata della lattazione, il tasso metabolico, la durata del ciclo estrale e persino le dimensioni dei reni. Ciò suggerisce che misurando il tasso di crescita di un solo dente, anche se si tratta di un animale estinto, sarà possibile determinare non solo le dimensioni del suo corpo, ma anche molte delle sue altre caratteristiche.
"Dammi qualsiasi dente, qualsiasi dente di primate permanente - gettamelo e basta, non dirmi di che primate è - e io ricostruirò le dimensioni dei reni, quanto tempo ha vissuto, tutte quelle caratteristiche", dice Bromage. "È incredibile quale finestra di opportunità apre questo materiale per trovare la chiave della vita."
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Dopo aver ricevuto il prestigioso Max Planck Science Prize con un collega nel 2010, Bromage ha speso i 750.000 euro per la ricerca per determinare se i campioni di sangue animale riflettano gli stessi ritmi dei denti. La ricerca era costosa e richiedeva tempo, in parte perché topi e ratti (i cavalli da tiro economici della biologia) non hanno un ritmo di più giorni e quindi non possono essere utilizzati come soggetti sperimentali.
I risultati della sua ricerca, pubblicati nel 2016, non sono ancora abbastanza solidi per diventare una scoperta. Molti cronobiologi sono scettici su di loro.
Ma "E se avesse ragione, dopotutto?", Chiede Robin Bernstein, un biologo antropologo dell'Università del Colorado a Boulder che ha studiato l'evoluzione delle dimensioni del corpo e ora sta studiando la crescita degli umani e dei primati non umani. "Secondo me, è una di quelle persone che sono in anticipo sui tempi", dice. "Forse non c'è niente di speciale qui, ma è originale, davvero interessante e penso che si potrebbe fare molto al riguardo."
Collegamenti dentali
Bromage si è interessato ai denti quando era uno studente laureato a metà degli anni '80. A quel tempo, gli scienziati sapevano che proprio come gli alberi formano anelli annuali, sullo smalto dei denti si formano strisce di crescita quotidiana. Negli anni '30 e '40, gli scienziati giapponesi li scoprirono sui denti di cani, ratti, maiali e macachi.
I mammiferi hanno anche strisce prominenti chiamate strisce Retzius. Nei primi ominidi studiati all'epoca da Bromage, sette bande giornaliere separavano ogni lignaggio Retzius. Nessuno sapeva come o perché si formassero, ma Bromage è stato in grado di usarli come marker per dimostrare che i primi molari permanenti apparivano nei primi ominidi intorno ai tre anni, come gli scimpanzé, molto prima degli esseri umani moderni. Ciò significava che i primi ominidi non erano solo versioni in miniatura degli esseri umani moderni, come si credeva allora, ma erano più vicini alle scimmie.
Nel 1991, Bromage ha confermato che le linee di Retzius nei macachi erano separate solo da quattro linee di crescita giornaliere, rispetto a sette nei primi ominidi. Poi, nel 2000, si è reso conto che anche le ossa hanno un modello di crescita periodica. Ha scoperto che le strisce, chiamate lamelle, si sono formate sulle ossa dei ratti in un solo giorno. Come potrebbe essere possibile se le ossa umane crescessero molto più lentamente delle ossa di ratto?
"Non è uscito dalla mia testa per anni", dice Bromage. E poi un giorno del 2008, in una dissertazione di uno dei suoi studenti, ha letto che le lamelle nelle ossa dei macachi si formano in quattro giorni, cioè allo stesso modo delle linee di Retzius, che ha trovato nei denti dei macachi nel 1991. "Questo ricordo del 1991 mi è venuto in mente proprio nel momento in cui ho visto il numero quattro", ricorda. Potrebbe essere possibile, si chiese, che i mammiferi abbiano gli stessi periodi di crescita nei denti e nelle ossa? Se questo è il caso, anche le lamelle negli esseri umani dovrebbero formarsi in sette giorni, che è molto più a lungo che nei ratti, che richiede solo un giorno per farlo.
Bromage ha definito questa idea "un paradigma completamente nuovo". Fino a quel momento, si credeva che non ci fosse alcuna connessione tra il modo in cui i denti e le ossa crescono; le ossa non sono mai state pensate come tessuti che si sviluppano in fasi graduali e misurabili, come denti e alberi. Ogni possibile connessione tra il tasso di sviluppo dei denti e delle ossa era così fondamentale che non ho potuto dire nulla a nessuno per una settimana ", dice Bromage, nemmeno a sua moglie. Ha controllato la struttura istologica di ossa e denti nel suo laboratorio e ha scoperto che i ritmi di crescita di denti e ossa coincidevano nei macachi, nelle pecore e negli esseri umani.
Il ritmo del cervello
Se i ritmi che Bromage ha visto nelle fasce di crescita dei denti e delle ossa dei mammiferi fossero una risposta a un segnale di crescita, da dove potrebbe provenire quel segnale? Bromage ritiene che la sua fonte sia la stessa parte del cervello che, come è già noto, imposta il bioritmo circadiano, cioè l'ipotalamo. Dopotutto, la durata dei bioritmi che ha studiato è sempre un multiplo di un'intera giornata e l'orologio biologico, come è già stato stabilito, influisce sulla velocità di divisione cellulare. L'ipotalamo è in grado di svolgere questa funzione, quindi "perché inventare un altro strumento completamente nuovo?" - una domanda è sorta in lui. Qualcosa, forse una sostanza che si accumula nell'ipotalamo, può variare l'orologio biologico in un ciclo di più giorni. Qualunque parte del cervello sia responsabile di questo, "è solo destinata a contare", dice Bromage.
L'ipotalamo svolge anche un altro compito: regola la ghiandola pituitaria, una ghiandola pituitaria che produce ormoni, la cui parte anteriore regola le dimensioni del corpo e la parte posteriore regola la durata del ciclo estrale. Forse non a caso, queste sono le uniche due caratteristiche fisiologiche che Bromage scoperto sono direttamente correlate con la durata del nuovo bioritmo.
Bromage iniziò a testare la sua teoria. Se il segnale generato nel cervello regola il tasso di crescita, ha ipotizzato Bromage, allora il sangue deve portare tracce di questo segnale.
Bromage ha impiegato due settimane a raccogliere sei millilitri di campioni di sangue dai maiali. Quindi ha consegnato oltre 1.700 campioni raccolti da 33 suini a un laboratorio indipendente per identificare 995 diversi metaboliti, sostanze biochimiche prodotte dall'organismo.
Dopo aver speso 300mila dollari, ha ricevuto la risposta: dei 159 metaboliti più concentrati con una specifica funzione biologica, 108 riflettevano il ritmo circadiano. Il successivo ritmo più frequente era lo stesso ritmo di cinque giorni che Bromage ha identificato nei denti e nelle ossa dei maiali. Solo 55 su 159 metaboliti sono passati attraverso questo ciclo e solo in 20 il ciclo coincideva con altri ritmi.
Con sua sorpresa, Bromage ha identificato due cicli di cinque giorni a tre giorni di distanza. Il primo conteneva metaboliti associati alla crescita e il secondo - metaboliti formati durante la scomposizione di molecole biologiche. Questo aveva senso: quando la crescita è finita, i metaboliti devono subire una rottura per essere disponibili per l'elaborazione nel successivo ciclo di crescita. Che sistema squisitamente progettato, pensò Bromage, non ci avrei mai creduto se non l'avessi visto con i miei occhi!
Ha chiamato il nuovo bioritmo "Oscillazioni di Havers-Halberg". Il nome è dato in onore di Clopton Havers, che, alla fine del XVII secolo, descrisse per primo le lamelle ossee e quelle che in seguito sarebbero diventate note come strisce di Retzius; e Franz Halberg, un cronobiologo morto nel 2013 all'età di 93 anni.
Il problema del maiale
Guardando indietro, ci rendiamo conto che nominare il ritmo dopo Halberg non è stata la decisione più intelligente.
I cronobiologi sono diventati estremamente scettici riguardo alla scoperta di bioritmi di più giorni, afferma Roberto Refinetti, fisiologo dell'Università di Boise e autore di un libro di testo sulla fisiologia circadiana. E per questo dobbiamo molto ad Halberg. Ha introdotto il concetto stesso di "circadiano". Tuttavia, in futuro, ha annunciato la scoperta di ritmi più lunghi, senza presentare prove sostanziali. "Era davvero, come gli piaceva dire, un uomo di larghe vedute - ha detto Refinetti. Alcuni pensavano che fosse anche fuori dai limiti".
Lo stesso Refinetti tentò (e fallì) di identificare un ritmo settimanale nella pressione sanguigna e nella concentrazione di acido lattico nei cavalli. Crede che il ritmo di cinque giorni di Bromage nei maiali possa essere il risultato di una settimana lavorativa umana, un'invenzione sociale relativamente nuova. Inoltre, dice, niente nell'ambiente avrebbe potuto essere un prerequisito per lo sviluppo di un ritmo settimanale per milioni di anni. Confrontalo con il ritmo circadiano, che ovviamente è nato come reazione al cambiamento del giorno e della notte.
Bromage ha risposto che i ritmi che ha identificato molto probabilmente non potevano essere causati dalla settimana lavorativa, perché i maiali erano tenuti in condizioni costanti tutto il tempo. Inoltre, se la teoria di Bromage è corretta, questi ritmi non necessitano di un segnale esterno di più giorni per svilupparsi, poiché si basano su ore giornaliere che possono essere contate. Refinetti, ha aggiunto, probabilmente non misurava il ritmo settimanale nei cavalli perché non misurava l'intero complesso associato alla crescita.
In termini di critica ai dati di Halberg, Bromage ha detto di aver chiamato il ritmo dopo di lui perché "difendeva i ritmi a lungo termine quando nessun altro al mondo ci pensava". Ma questo, dice Bromage, non significa "sono d'accordo con tutte le sue affermazioni".
È più difficile discutere, forse, con le statistiche secondo i dati di Bromage. A causa del costo e della complessità, l'esperimento doveva essere condotto in un periodo di tempo più breve di quanto Bromage avesse sperato. Poiché c'erano troppo pochi cicli, non poteva controllare statisticamente oggettivamente i ritmi. Invece, la situazione lo ha spinto ad assumere un ritmo di cinque giorni e quindi a verificare se tale ipotesi fosse statisticamente rilevante. Se affermi che esiste un ciclo di cinque giorni, devi misurare molti cicli per avere una base statistica, afferma Andrew Liu, cronobiologo presso l'Università di Memphis.
Bromage ha convenuto che l'esperimento aveva i suoi difetti. "Abbiamo davvero accelerato", dice. Sarebbe difficile misurare il sangue dei suini su un periodo più lungo: gli animali sono diventati più stressati e alla fine dello studio hanno iniziato a sviluppare infezioni. "È stata un'esperienza completamente nuova per tutti, quindi non è stata perfetta e abbiamo imparato molto", afferma Bromage.
Per ottenere dati più accurati, prevede di includere più cicli nel suo prossimo studio, durante il quale misurerà il sangue nelle scimmie Rhesus (hanno un ritmo di quattro giorni) per un mese. I macachi sono abituati al prelievo di sangue, ha aggiunto, il che significa che gli scienziati prenderanno campioni di sangue da animali che non hanno problemi legati allo stress come i maiali.
Bromage ha osservato che, indipendentemente da ciò, ha identificato un ritmo di cinque giorni in un altro tipo di molecole circolanti nel sangue dei suini: piccoli RNA e la maggior parte di quelli con un ciclo di cinque giorni hanno anche una funzione biologica correlata alla crescita. Non pensa che questa scoperta sia una coincidenza. "La possibilità che ciò possa accadere è astronomicamente piccola", dice.
Ratto di due giorni
Gli esami del sangue non sono l'unico modo in cui gli scienziati possono monitorare i bioritmi. Liu, dell'Università di Memphis, dice che se avesse i soldi, sarebbe interessato a determinare il ritmo di più giorni in un animale di grandi dimensioni usando il gene del reporter quotidiano. Questi geni sono attivati dal ritmo circadiano e producono una molecola che i biologi possono misurare con alta precisione in tempo reale. L'associazione di un tale gene con l'ipotalamo dell'animale può rivelare che il ritmo circadiano varia in qualche modo nel corso del programma di più giorni ", afferma Liu. "È fattibile", dice, "e molto interessante".
Tuttavia, anche se il ritmo dei metaboliti è confermato, dicono Liu e altri scienziati, ciò non significa che sia responsabile delle dimensioni del corpo. Piuttosto, può semplicemente riflettere diversi tassi di crescita in animali di diverse dimensioni. Come ha spiegato Liu, "solo perché segni qualcosa nel sangue che ha dei ritmi non significa necessariamente", questa è la ragione.
Bromage acconsentì. "Questa è solo un'ipotesi", ha detto, "può essere testata sperimentalmente". Per fare questo, vuole sottoporre le cellule cresciute, dividendosi una volta al giorno, a fattori biologici che potrebbero trasformare il ritmo circadiano in un ritmo di più giorni. Una volta che funziona, dice, gli scienziati vedranno se riescono a trasformare un "topo intero in un animale di due giorni".
Andreas von Bubnoff
