Секрет биологических часов можно узнать по зубам

Крошечные линии на зубной эмали позволяют обнаружить прежде неизвестный биологический ритм. Если данные подтвердятся, это открытие поможет исследователям понять, почему более крупные животные растут медленнее и живут дольше, чем маленькие. 

Однажды летом прошлого года Тимоти Бромедж (Timothy Bromage), палеонтолог в университете Нью-Йорка, отдыхая на Кипре, жевал отбивную из ягненка. Вдруг он услышал хруст. Когда за звуком последовала острая боль, он понял, что сломал зуб.

Когда он вернулся в Нью-Йорк, его дантист рассказал ему, что он вынужден будет перенести три месяца мучений, если хочет восстанавливать зуб. «Или дайте мне всего пять минут, — сказал врач, — и я выдерну его прямо сейчас».

Бромедж предпочел удаление. Таким образом он получал возможность сделать тонкий срез зуба, то есть то, что он хотел сделать уже несколько лет, чтобы измерить новый вид биоритма, который он изучал в постоянных зубах млекопитающих. Это не хорошо изученный циркадный биоритм, а более длительный, разнящийся от вида к виду, длящийся от двух дней до двух недель. Бромедж считает, что этот ритм может задавать темп роста животных и продолжительность их жизни.

У крыс биоритм длится один день; у макак — четыре, у овец — пять, у людей — от шести до 12 дней. Бромедж подтвердил эту взаимосвязь у десятков других живущих и вымерших млекопитающих, в том числе у азиатских слонов, у которых биоритм длится 14 дней. (Существуют и исключения: например, у собак эта взаимосвязь не прослеживается).

В целом более медленный ритм у более крупных видов млекопитающих вполне оправдан: крупные животные растут медленнее, чем животные меньших размеров, затрачивая на это более продолжительные периоды. Бромедж считает, что ритм зубов и костей отражает сигнал роста, стимулирующий скорость деления клеток, клетки тела получают этот сигнал на регулярных интервалах. Чем чаще принимаются такие сигналы, тем быстрее растет животное.

Ритмический интервал увеличивается не только вместе с массой тела, Бромедж выяснил, что он увеличивается вместе с другими особенностями, растущими наряду с массой тела, например, с продолжительностью жизни, продолжительностью лактации, скоростью метаболизма, длительностью эстрального цикла и даже размером почек. Это позволяет предположить, что, измерив ритм роста всего одного зуба, пусть даже и вымершего животного, можно будет определить не только размер его тела, но и многие другие его особенности.

«Дайте мне любой зуб, любой постоянный зуб примата — просто бросьте его мне, не говорите, что это за примат, — и я реконструирую, какого размера у него были почки, продолжительность его жизни, все эти особенности», — говорит Бромедж. «Просто невероятно, какое окно возможностей открывает этот материал для нахождения ключа к жизни».

Получив престижную научную премию Макса Планка вместе с коллегой в 2010 году, Бромедж потратил эти 750 тысяч евро на исследования, с помощью которых определял, отражаются ли в образцах крови животных те же ритмы, что и в образцах зубов. Исследования были дорогими и потребовали много времени, в том числе потому, что у мышей и крыс (дешевых рабочих лошадок биологии) нет многодневного ритма, в связи с чем их нельзя использовать в качестве подопытных.

Результаты его исследования, опубликованные в 2016 году, пока недостаточно основательны, чтобы стать открытием. Многие хронобиологи относятся к ним скептически.

Однако «Вдруг он все-таки прав?», — задается вопросом Робин Бернстайн (Robin Bernstein), биолог-антрополог из университета Колорадо в Боулдере, изучавшая эволюцию размера тела и занимающаяся сейчас изучением роста людей и нечеловекоподобных приматов. «На мой взгляд, он один из тех людей, которые опережают свое время», — говорит она. «Может быть, здесь нет ничего особенного, но это оригинально, по-настоящему интересно, и, я думаю, с этим можно было бы многое сделать».

Бромедж заинтересовался зубами, когда был студентом-выпускником в середине 80-х годов. В то время ученые знали, что аналогично тому, как у деревьев образуются годовые кольца, на зубной эмали формируются ежедневные полосы роста. Японские ученые в 1930-1940-х годах обнаружили их на зубах собак, крыс, свиней и макак.

У млекопитающих также есть заметные полосы, которые называются полосы Ретциуса. У ранних гоминид, которых изучал в то время Бромедж, каждую линию Ретциуса разделяли семь ежедневных полос. Никто не знал, как и почему они образовались, но Бромедж смог использовать их как маркер, чтобы показать, что первые постоянные моляры появлялись у ранних гоминид в возрасте около трех лет, как и у шимпанзе, то есть намного раньше, чем у современных людей. Это означало, что ранние гоминиды не были лишь миниатюрными версиями современных людей, как тогда считалось, а были ближе к обезьянам.

В 1991 году Бромедж подтвердил, что линии Ретциуса у макак были разделены лишь четырьмя линиями ежедневного роста, в отличие от семи, отмеченных им у ранних гоминид. Тогда в 2000 году он понял, что у костей тоже есть схема периодического роста. Он обнаружил, что полосы, которые называются ламеллы, образуются на костях крыс всего за один день. Как такое было возможно, если человеческие кости растут намного медленнее, чем крысиные?

«Это не выходило у меня из головы в течение многих лет», — говорит Бромедж. И вот однажды в 2008 году он прочитал в диссертации одного из своих студентов, что ламеллы в костях макак образуются за четыре дня, то есть точно так же, как и линии Ретциуса, которые он обнаружил в зубах макак в 1991 году. «Это воспоминание 1991 года возникло у меня в памяти в ту же самую секунду, как я увидел цифру четыре», — вспоминает он. Возможно ли, задался он вопросом, что у млекопитающих одинаковые периоды роста в зубах и костях? Если это так, то ламеллы у людей также должны формироваться за семь дней, то есть намного дольше, чем у крыс, которым для этого требуется всего один день.

Бромедж назвал эту идею «совершенно новой парадигмой». До того времени считалось, что нет никакой связи между тем, как растут зубы и кости; кости никогда не считались тканью, которая развивается постепенными, измеряемыми стадиями, как зубы и деревья. Любая возможная связь между темпами развития зубов и костей была столь принципиальна, что я целую неделю не мог ничего никому рассказать«, — говорит Бромедж, даже своей жене. Он проверял гистологическое строение костей и зубов у себя в лаборатории и обнаружил, что действительно ритмы роста зубов и костей совпадали у макак, овец и людей.

Если ритмы, которые Бромедж увидел в полосах роста зубов и костей млекопитающих, были реакцией на сигнал роста, то откуда этот сигнал мог исходить? Бромедж считает, что его источником является та же часть мозга, которая, как уже известно, задает циркадный биоритм, то есть гипоталамус. В конце концов, длина изученных им биоритмов всегда кратна целым суткам, а биологические часы, как уже было установлено, влияют на скорость деления клеток. Гипоталамус способен выполнять эту функцию, так «зачем же изобретать другой, совершенно новый инструмент?», — возник у него вопрос. Что-то, возможно, субстанция, аккумулирующаяся в гипоталамусе, может варьировать биологические часы в многодневном цикле. Какая бы часть мозга ни отвечала за это, «она предназначена лишь для того, чтобы считать», — говорит Бромедж.

Гипоталамус проделывает и другую работу: он регулирует гипофиз, питуитарную железу, вырабатывающую гормоны, передняя часть которой регулирует размер тела, а задняя — длительность эстрального цикла. Возможно, не является совпадением, что это единственные две физиологические особенности, которые, как выявил Бромедж, напрямую коррелируют с длительностью нового биоритма.

Бромедж начал проверять свою теорию. Если генерируемый в мозге сигнал регулирует темп роста, размышлял Бромедж, то кровь должна нести в себе следы этого сигнала.

Бромедж провел две недели, собирая по шесть миллилитров образцов крови у свиней. После чего передал собранные им у 33 свиней 1700 образцов в независимую лабораторию, чтобы выявить 995 разных метаболитов, биохимических субстанций, производимых телом.

Потратив 300 тысяч долларов, он получил ответ: из 159 наиболее концентрированных метаболитов с определенной биологической функцией 108 отражали циркадный ритм. Следующим по частотности ритмом был тот же пятидневный, который Бромедж выявил в зубах и костях свиней. Всего 55 из 159 метаболитов проходили через этот цикл, и только у 20-ти цикл совпадал с иными ритмами.

К своему удивлению, Бромедж выявил два пятидневных цикла с промежутком в три дня. Первый содержал метаболиты, связанные c ростом, а второй — метаболиты, формирующиеся при распаде биологических молекул. Это было логично: когда рост окончен, метаболиты должны пережить распад, чтобы стать доступными для переработки в следующем цикле роста. «Какая изящно устроенная система, — подумал Бромедж, — Никогда бы в это не поверил, если бы не видел собственными глазами!»

Он назвал новый биоритм «Колебания Гаверса-Халберга». Название дано в честь Клоптона Гаверса (Clopton Havers), который в конце 17-го века впервые описал ламеллы костей и то, что впоследствии станет известно под названием полосы Ретциуса; и Франца Халберга (Franz Halberg), хронобиолога, умершего в 2013 году в возрасте 93 лет.

Оглядываясь назад, мы понимаем, что назвать ритм в честь Халберга было не самым разумным решением.

Хронобиологи стали крайне скептически относиться к открытиям многодневных биоритмов, рассказывает Роберто Рефинетти (Roberto Refinetti), физиолог из Университета в Бойсе, автор учебника по суточной физиологии. И этим мы во многом обязаны Халбергу. Он ввел и само понятие «циркадный». Однако в дальнейшем он заявлял об открытии более длительных ритмов, не предъявляя весомых доказательств. «Он был по-настоящему, как он любил говорить, человеком широких взглядов, — рассказал Рефинетти, — Некоторые считали, что он выходит даже за допустимые пределы».

Рефинетти и сам пытался (и потерпел фиаско) выявить еженедельный ритм в кровяном давлении и концентрации молочной кислоты в крови лошадей. Он считает, что пятидневный ритм у свиней, выявленный Бромеджем, может быть результатом рабочей недели людей, относительно нового общественного изобретения. Более того, говорит он, ничто в окружающей среде не могло бы стать предпосылкой к развитию еженедельного ритма за миллионы лет. Сопоставьте это с суточным ритмом, который очевидно возник как реакция на смену дня и ночи.

Бромедж отвечал, что выявленные им ритмы, скорее всего, не могут быть вызваны рабочей неделей, потому что свиней все время содержали в неизменных условиях. Более того, если теория Бромеджа верна, то для развития этим ритмам не понадобилось бы многодневного внешнего сигнала, так как они основаны на суточных часах, которые могут быть посчитаны. Рефинетти, добавил он, вероятно, не отметил недельного ритма у лошадей, потому что не измерял всего комплекса, связанного с ростом.

Что касается критики в отношении данных Халберга, Бромедж сказал, что назвал ритм в его честь, потому что тот «отстаивал долгосрочные ритмы, когда об этом не думал еще никто на земле». Но это, говорит Бромедж, не означает, что «я согласен со всеми его утверждениями».

Сложнее спорить, наверное, со статистикой по данным Бромеджа. Из-за стоимости и сложности эксперимент пришлось проводить в более сжатые сроки, чем рассчитывал Бромедж. Поскольку циклов было слишком немного, он не мог статистически объективно проверить ритмы. Вместо этого ситуация натолкнула его на предположение о пятидневном ритме, а затем проверить, релевантно ли это предположение в отношении статистики. Если ты утверждаешь о существовании пятидневного цикла, нужно измерить множество циклов, чтобы иметь статистические обоснования, говорит Эндрю Лю (Andrew Liu), хронобиолог из университета Мемфиса.

Бромедж согласился, что в ходе эксперимента были свои недоработки. «Мы действительно ускорили его», — говорит он. Было бы сложно измерять кровь свиней в течение более длительного периода: животные испытывали все больший стресс, и к концу исследования у них стали появляться инфекции. «Это был совершенно новый опыт для всех, поэтому он прошел неидеально, и мы очень многое узнали», — говорит Бромедж.

Чтобы получить более точные данные, он планирует включить большее количество циклов в свое следующее исследование, в ходе которого он будет измерять кровь у макак-резус (у них ритм состоит из четырех дней) в течение месяца. Макаки привыкли к заборам крови, добавил он, то есть ученые будут забирать образцы крови у животных, не испытывающих такие связанные со стрессом проблемы, как свиньи.

Бромедж отметил, что независимо от этого он выявил пятидневный ритм в другом типе молекул, циркулирующих в крови свиней: маленьких РНК, и большинство из тех, где был отмечен пятидневный цикл, также имеют биологическую функцию, связанную с ростом. Он не считает, что это открытие — случайное совпадение. «Шанс того, что это может произойти, астрономически мал», — говорит он.

Анализы крови не единственный способ, с помощью которого ученые могут отследить биоритмы. Лю из университета в Мемфисе, говорит, что, если бы у него были деньги, ему было бы интересно определить многодневный ритм у крупного животного, используя суточный репортерный ген. Такие гены запускаются суточным ритмом и производят молекулу, которую биологи могут измерить с высокой точностью в реальном времени. Связь такого гена с гипоталамусом животного может выявить, что суточный ритм каким-то образом варьируется в многодневном графике«, — говорит Лю. «Это осуществимо, — считает он, — И очень интересно».

Однако, даже если ритм метаболитов подтвердится, говорят Лю и другие ученые, это не означает, что он отвечает за размер тела. Скорее, он может просто отражать разные скорости роста у животных разных размеров. Как объяснил Лю, «лишь потому, что вы отмечаете в крови нечто, имеющее ритмы, это необязательно означает», что в этом и состоит причина.

Бромедж согласился. «Это только гипотеза, — сказал он, — Ее можно экспериментально проверить». Для этого он хочет подвергнуть выращенные клетки, делящиеся раз в день, воздействию биологических факторов, которые могли бы превратить суточный ритм в многодневный. Как только это сработает, говорит он, ученые поймут, смогут ли они превратить «целую крысу в двухдневное животное».