昨年のある夏の日、ニューヨーク大学の古人類学者であるティモシー・ブロマージュは、キプロスで休暇を過ごしている間、ロリポップのラムチョップをかじっていました。突然、彼はポンという音を聞いた。鋭い痛みが続いたとき、彼は大臼歯にひびが入ったことに気づきました.
ニューヨークに戻った彼の歯科医は、もし歯が修復されたら地獄のような 3 ヶ月を過ごすだろうと彼に言いました。 「それとも 5 分待ってください」と歯科医は言いました。 「今すぐ取り出します。」
Bromageはそれを取り出すことを選択しました.そうすることで、彼は何年も前からやりたかった歯の薄い部分を作ることができ、哺乳類の永久歯で研究してきた新しい種類のバイオリズムを測定することができました。これは十分に研究された概日リズムではなく、種によって異なり、2 日から 14 日までのより長い概日リズムです。 Bromage は、動物の成長速度と寿命のペースを決める可能性があると考えています。
バイオリズムはラットで 1 日続きます。マカクで4日間。羊で5日間。ヒトでは6～12日。 Bromage は、14 日のリズムを持つアジアゾウを含む、他の数十の現生および化石哺乳類種でこの関係を確認しました。 (例外があります。たとえば、犬は関係に従っていないようです。)
より大型の哺乳動物種で一般的に遅いリズムは理にかなっており、大型の動物は小型の動物よりも成長が遅く、期間が長いだけです。 Bromage は、歯と骨のリズムは、体の組織が一定の間隔で受け取る細胞分裂の速度を上げる成長信号を反映していると考えています。このような信号が頻繁に受信されるほど、動物はより速く成長します。
リズム間隔は体重とともに増加するだけでなく、寿命、授乳期間、代謝率、発情周期の長さ、さらには腎臓のサイズなど、体重とともに増加することが知られている他の特徴とともに増加することを Bromage は発見しました。これは、1 本の歯の成長リズムを測定するだけで、哺乳類の化石であっても、体の大きさだけでなく、他の多くの関連する特徴を決定できる可能性があることを示唆しています。
「どんな歯でも、霊長類の永久歯でも投げてください。霊長類が何であるかを私に言わずに、私に投げてください。腎臓の大きさ、寿命、これらすべてのものを再構築します」とブロマージュは言いました. 「生命への鍵を理解するために、その資料が提供する機会の窓は信じられないほどです。」
2010 年に同僚とともに権威あるマックス プランク研究賞を受賞した後、彼は 75 万ユーロの賞金を使って、動物の血液サンプルが歯のサンプルと同じリズムを反映しているかどうかを研究しました。この作業には費用と時間がかかりました。特に、マウスやラットは生物学の安価な作業馬であり、複数日のリズムがなく、使用できないためです。
今年初めに発表された彼の結果は、発見を主張するほど強力ではありません。そして、多くの時間生物学者は依然として懐疑的です.
それでも、「もし彼が正しかったら？」コロラド大学ボルダー校の生物人類学者ロビン・バーンスタインは、体の大きさの進化を研究し、現在は人間と人間以外の霊長類の成長を研究している. 「彼は時代を先取りしている人の一人だと思います」と彼女は言いました。 「これは何の役にも立たないかもしれませんが、オリジナルであり、非常に興味深いものであり、さらに多くのことができると思います。」
骨のつながり
Bromage は、1980 年代半ばに大学院生として歯に興味を持ちました。当時の研究者は、樹木が成長するにつれて年輪を形成するのと同じように、歯のエナメル質が毎日の成長縞を形成することを知っていました.日本の研究者は、1930 年代と 1940 年代に犬、ネズミ、豚、マカクの歯からそれらを発見しました。
哺乳類の歯にも、レツィウス線と呼ばれる目立つ縞模様があります。ブロマージュが当時研究していた初期のヒト科では、毎日7本の縞模様が各レツィウス線を分けていました。それらがどのように、またはなぜ形成されたかは誰も知りませんでしたが、ブロマージュはそれらをマーカーとして使用して、初期の人類がチンパンジーと同じ年齢である3歳頃に最初の永久大臼歯を噴出したことを示すことができました。これは現代の人間よりもはるかに若い年齢です。これは、当時考えられていたように、初期の原人が現代人の単なるミニチュア バージョンではなく、類人猿に似ていることを意味していました。
1991年、ブロマージュは、マカクザルのレツィウス線は、初期のヒト科で見られた7本ではなく、4本の日成長線だけで区切られていることを確認しました.そして2000年、骨にも周期的な成長パターンがあることに気付きました。彼は、ラットの骨のラメラと呼ばれる縞模様がわずか 1 日で成長することを発見しました。彼を困惑させたのは、ラットのラメラが人間のラメラと同じくらい厚いということでした。人間の骨はネズミの骨よりもはるかにゆっくりと成長するのに、どうしてこれができるのでしょうか?
「何年も何年もの間、これに悩まされていました」と Bromage 氏は言います。そして2008年のある日、彼は博士号を読みました。 1991 年にマカクの歯に見られたレツィウス線と同じように、マカクの骨のラメラが成長するのに 4 日かかるという彼の学生の 1 人の論文。 「その4番を見た瞬間、1991年の記憶が頭に浮かんだ」と彼は回想する。哺乳類は骨と歯の成長期が同じなのだろうか？もしそうなら、人間のラメラは成長するのに 7 日かかるはずであり、ネズミが必要とする 1 日よりもはるかに長い.
Bromage は、このアイデアを「まったく新しいパラダイム」と呼びました。それまでは、骨と歯の成長には関係がないと考えられていました。骨は、歯や木のように、段階的に測定可能な段階で成長する組織とは考えられていませんでした。歯と骨の成長のタイミングに関係がある可能性は「非常に基本的」であり、「丸 1 週間、誰にも言えなかった」と彼は言い、妻にも言えませんでした。彼は研究室で骨と歯の組織切片を調べたところ、骨と歯の成長リズムがマカクザル、ヒツジ、ヒトで同じであることを発見しました.
脳の鼓動
ブロマージュが哺乳類の歯と骨の成長縞に見たリズムが成長シグナルへの反応であるとしたら、そのシグナルはどこから来るのでしょうか? Bromage は、その発生源は、視床下部である概日リズムを生成することが既に知られている脳の同じ部分であると考えています。結局のところ、彼が研究したバイオリズムの長さは常に 1 日の倍数であり、概日時計が細胞分裂率に影響を与えることはすでに知られている.視床下部はその仕事をすることができるので、「なぜまったく新しいツールキットを発明するのですか?」と彼は尋ねました.何か、おそらく視床下部に蓄積する物質が、数日周期で概日時計を調節している可能性があります。原因が脳内にあるものは何でも、「それがしなければならないことは、数えることだけです」と Bromage は言いました。
視床下部は別の方法でも適合します。下垂体はホルモン腺であり、その前部は体の大きさを調節し、後部は発情周期の長さを調節します。おそらく偶然ではありませんが、ブロマージュが新しいバイオリズムの長さと直接相関することを発見したのは、これら 2 つの生理学的特徴だけです。
Bromage は彼の理論をテストするために着手しました。 Bromage 氏は、脳が生成する信号が成長のペースを調節しているのであれば、血液はこの信号の痕跡を運ぶべきだと推論しました.
Bromage は 2 週間かけて、豚から 6 ミリリットルの血液サンプルを採取しました。その後、彼は 33 頭の豚から収集した 1,700 のサンプルを独立した研究所に送り、995 の異なる代謝物 (体によって生成される生化学物質) を測定しました。
300,000 ドルを費やした後、彼は答えを得ました。既知の生物学的機能を持つ 159 の最も高度に濃縮された代謝物のうち、108 が毎日のリズムを示しました。 2 番目に一般的なリズムは、ブロマージュが豚の歯と骨で見つけたのと同じ 5 日間のリズムでした。 159 の代謝産物のうち合計 55 がそのように循環しましたが、他のリズムで循環したのは 20 だけでした。
驚いたことに、彼は 5 日間の周期が 2 つあり、それぞれが 3 日間離れていることを発見しました。 1 つ目は成長に関連する代謝物を含み、2 つ目は生体分子が分解するときに形成される代謝物を含んでいました。これは理にかなっています。成長が終わったら、次の成長サイクルで再利用できるように代謝産物を分解する必要があります。 「なんとエレガントなシステムでしょう」と Bromage 氏は言います。 「見なければ考えたこともなかったでしょう！」
彼は新しいバイオリズムを「Havers-Halberg Oscillation」と名付けました。この名前は、17 世紀後半にラメラ骨と後にレツィウス縞として知られるようになるものを最初に記述した Clopton Havers と、ミネソタ大学の時間生物学者で時間生物学の創始者である Franz Halberg にちなんで付けられました。 93 歳。
豚の問題
振り返ってみると、Halberg にちなんでリズムに名前を付けるのは賢明な選択ではなかったかもしれません。
ボイシ州立大学の生理学者で概日生理学の教科書の著者でもあるロベルト・レフィネッティ氏によると、クロノバイオロジストは複数日のバイオリズムの主張に非常に懐疑的になっているという。それは主にハルバーグによるものです。キャリアの初期には、ハルバーグは時間生物学のパイオニアでした。彼は「サーカディアン」という言葉を作り出しました。しかし後になって、彼はより長い周期のリズムが見られると主張しましたが、多くの証拠はありませんでした. 「彼は本当に、心を開いていると言うのが好きでした」とレフィネッティは言いました。 「彼がそれを超えていると考える人もいました。」
レフィネッティは、馬の血中の血圧と乳酸濃度の週ごとのリズムを見つけようと試みましたが、失敗しました. Bromage が発見した豚の 5 日間のリズムは、比較的最近の社会的発明である、人間の 1 週間の労働によって引き起こされた可能性があると彼は考えています。さらに、何百万年にもわたって進化するように毎週のリズムを導く環境はなかったと彼は言いました。これを概日リズムと対比してください。概日リズムは明らかに昼夜サイクルに反応して現れます.
Bromage 氏は、豚は常に一定の状態に保たれていたため、彼が見つけたリズムは週の労働時間に起因する可能性は低いと反論しました。さらに、ブロマージュの理論が正しければ、リズムは進化するのに数日にわたる環境の手がかりを必要としないでしょう。つまり、リズムは概日時計に基づいており、おそらくそれを数えることです。レフィネッティは、成長に関連する化合物を測定しなかったため、おそらく馬に週ごとのリズムが見られなかったと付け加えた.
ハルバーグのデータに対する批判について、ブロマージュは、ハルバーグが「地球上の誰もそうしなかったときに、長周期のリズムを擁護した」ため、彼にちなんでリズムに名前を付けたと述べた。 Bromage 氏によると、それは「彼の言ったことすべてに同意する」という意味ではありません。
おそらく、より難しいのは、ブロマージュのデータに関する統計上の懸念です。実験のコストと難しさから、彼が望んでいたよりも短いものにせざるを得ませんでした。周期が少なすぎたため、統計的にリズムを偏りなくチェックすることができませんでした。代わりに、状況により、彼は 5 日間のリズムを仮定し、その仮定が統計的に有意であるかどうかを確認することを余儀なくされました。しかし、5 日間のサイクルを主張したい場合は、統計上の理由から複数のサイクルを測定する必要があると、メンフィス大学の時間生物学者である Andrew Liu 氏は述べています。
Bromage は、この実験には欠点があることに同意した。 「私たちは本当にそれを推進していました」と彼は言いました。ブタの血液を長期間測定することは困難だったでしょう。動物はますますストレスを受け、研究の終わりに向かって感染が現れ始めました. 「誰にとってもまったく新しい経験だったので、完璧にできたわけではなく、多くのことを学びました」と Bromage 氏は言います。
より良いデータを得るために、彼は次の研究でより多くのサイクルを含めることを計画しており、アカゲザル (4 日周期) の血液を 1 か月間測定します。サルは血液を採取するように訓練されているため、研究者はブタほどストレスに関連した問題に悩まされていない動物からサンプルを採取できるようになる、と彼は付け加えた。
Bromage は、ブタの血液中を循環する別の種類の分子である small RNA に 5 日リズムを独自に発見したことを指摘し、5 日リズムを持つ分子のほとんどは成長に関連した生物学的機能も持っています。彼は発見が偶然だったとは信じていません。 「その可能性は天文学的に低いです」と彼は言いました。
二日ネズミ
血液検査は、研究者がリズムを追跡できる唯一の方法ではありません。メンフィス大学の Liu は、お金があれば、概日レポーター遺伝子を使って大型動物の長期的なリズムを探したいと思うかもしれないと述べた。このような遺伝子は、概日リズムによってオンになり、生物学者がリアルタイムで高精度に測定できる分子を生成します。そのような遺伝子を動物の視床下部に接続することで、その概日リズムが数日のスケジュールで何らかの形で変調されていることが明らかになるかもしれない、と Liu は述べた。 「これは可能です。非常に興味深いと思います。」
しかし、たとえ代謝リズムが本物であることが判明したとしても、Liuらは、それが体の大きさを調節するという意味ではない.むしろ、サイズの異なる動物の成長速度の違いを反映しているのかもしれません。 Liu 氏が説明したように、「血中にリズムのあるものを見たからといって、必ずしもそれが原因であるとは限りません」。
ブロマージュは同意した。 「それは単なる仮説です」と彼は言いました。 「それはテスト可能です。」それをテストするために、彼は 1 日 1 回分裂している培養細胞を、細胞の概日リズムを複数日リズムに変える可能性のある生物学的要因にさらしたいと考えています。それが機能すれば、研究者は「ネズミ全体を 2 日間の動物に変える」ことができるかどうかを確認できると彼は言いました。
