Garis-garis kecil pada enamel gigi menunjukkan ritme biologis yang sebelumnya tidak diketahui. Jika datanya dikonfirmasi, temuan ini akan membantu para peneliti memahami mengapa hewan yang lebih besar tumbuh lebih lambat dan hidup lebih lama daripada yang lebih kecil.
Suatu musim panas tahun lalu, Timothy Bromage, seorang ahli paleontologi di Universitas New York, sedang mengunyah daging domba saat berlibur di Siprus. Tiba-tiba dia mendengar suara keras. Ketika suara itu diikuti dengan rasa sakit yang tajam, dia menyadari bahwa dia telah mematahkan gigi.
Ketika dia kembali ke New York, dokter giginya mengatakan kepadanya bahwa dia harus menanggung tiga bulan penderitaan jika dia ingin gigi dipulihkan. "Atau beri saya waktu lima menit," kata dokter, "dan saya akan mencabutnya sekarang juga."
Penghapusan lebih disukai bromage. Dengan demikian, ia mampu membuat bagian tipis dari gigi, yang ia ingin lakukan selama beberapa tahun, untuk mengukur jenis bioritme baru, yang ia pelajari pada gigi permanen mamalia. Ini bukan bioritme sirkadian yang dipelajari dengan baik, tetapi yang lebih lama, berbeda dari spesies ke spesies, berlangsung dari dua hari hingga dua minggu. Bromage percaya bahwa ritme ini dapat mengatur laju pertumbuhan hewan dan umurnya.
Pada tikus, biorhythm berlangsung satu hari; pada kera - empat, pada domba - lima, pada manusia - dari enam hingga 12 hari. Bromage mengkonfirmasi hubungan ini pada lusinan mamalia hidup dan punah lainnya, termasuk gajah Asia, yang memiliki biorhythm yang berlangsung selama 14 hari. (Ada pengecualian: misalnya, anjing tidak menunjukkan hubungan ini.)
Secara umum, ritme yang lebih lambat pada spesies mamalia yang lebih besar dapat dibenarkan: hewan besar tumbuh lebih lambat daripada hewan yang lebih kecil, menghabiskan waktu lebih lama. Bromage percaya bahwa ritme gigi dan tulang mencerminkan sinyal pertumbuhan yang merangsang laju pembelahan sel, yang mana sel-sel tubuh menerima sinyal ini secara berkala. Semakin sering sinyal tersebut diterima, semakin cepat hewan tersebut tumbuh.
Peningkatan interval ritme tidak hanya dengan berat badan, Bromage menemukan peningkatan dengan karakteristik lain yang meningkat seiring dengan peningkatan berat badan, misalnya harapan hidup, lama menyusui, laju metabolisme, durasi siklus estrus, bahkan ukuran ginjal. Ini menunjukkan bahwa dengan mengukur laju pertumbuhan hanya satu gigi, bahkan jika itu adalah hewan yang punah, akan mungkin untuk menentukan tidak hanya ukuran tubuhnya, tetapi juga banyak fitur lainnya.
“Beri saya gigi apa pun, gigi primata permanen apa pun - lemparkan saja ke saya, jangan beri tahu saya primata apa itu - dan saya akan merekonstruksi berapa ukurannya, berapa lama hidupnya, semua ciri itu,” kata Bromage. "Sungguh luar biasa jendela peluang yang terbuka untuk menemukan kunci kehidupan."
Video promosi:
Setelah menerima Max Planck Science Prize yang bergengsi dengan seorang kolega pada tahun 2010, Bromage menghabiskan € 750.000 untuk penelitian guna menentukan apakah sampel darah hewan mencerminkan ritme yang sama dengan gigi. Penelitian itu mahal dan memakan waktu, juga karena tikus dan tikus (pekerja biologi yang murah) tidak memiliki ritme multi-hari dan tidak dapat digunakan sebagai subjek percobaan.
Hasil penelitiannya yang dipublikasikan pada tahun 2016 ternyata belum cukup solid untuk menjadi sebuah penemuan. Banyak ahli kronobiologi yang skeptis tentang mereka.
Tetapi "Bagaimana jika dia benar?" Tanya Robin Bernstein, seorang ahli biologi antropologi di Universitas Colorado di Boulder yang telah mempelajari evolusi ukuran tubuh dan sekarang mempelajari pertumbuhan manusia dan primata non-manusia. “Menurut saya, dia adalah salah satu orang yang berada di depan waktunya,” katanya. “Mungkin tidak ada yang istimewa di sini, tapi orisinal, sangat menarik, dan saya pikir banyak yang bisa dilakukan untuk mengatasinya.”
Koneksi gigi
Bromage mulai tertarik pada gigi ketika dia menjadi mahasiswa pascasarjana pada pertengahan 1980-an. Pada saat itu, para ilmuwan tahu bahwa seperti halnya pohon membentuk cincin tahunan, garis pertumbuhan harian terbentuk pada email gigi. Pada tahun 1930-an dan 1940-an, ilmuwan Jepang menemukannya pada gigi anjing, tikus, babi, dan kera.
Mamalia juga memiliki garis-garis menonjol yang disebut garis Retzius. Pada hominid awal yang dipelajari pada saat oleh Bromage, tujuh pita harian memisahkan setiap garis keturunan Retzius. Tidak ada yang tahu bagaimana atau mengapa mereka terbentuk, tetapi Bromage mampu menggunakannya sebagai penanda untuk menunjukkan bahwa molar permanen pertama muncul pada hominid awal sekitar usia tiga tahun, seperti simpanse, jauh lebih awal daripada manusia modern. Ini berarti bahwa hominid purba bukan hanya versi miniatur manusia modern, seperti yang diyakini saat itu, tetapi lebih dekat dengan kera.
Pada tahun 1991, Bromage mengkonfirmasi bahwa garis Retzius pada kera dipisahkan oleh hanya empat garis pertumbuhan harian, dibandingkan dengan tujuh garis pada hominid awal. Kemudian pada tahun 2000, ia menyadari bahwa tulang juga memiliki pola pertumbuhan yang berkala. Dia menemukan bahwa garis-garis yang disebut lamellae terbentuk pada tulang tikus hanya dalam satu hari. Bagaimana ini bisa terjadi jika tulang manusia tumbuh jauh lebih lambat daripada tulang tikus?
"Itu tidak keluar dari kepalaku selama bertahun-tahun," kata Bromage. Dan kemudian pada suatu hari di tahun 2008, dia membaca disertasi salah satu mahasiswanya bahwa lamellae pada tulang kera terbentuk dalam empat hari, yaitu dengan cara yang sama seperti galur Retzius, yang dia temukan di gigi kera pada tahun 1991. "Kenangan tahun 1991 ini muncul di benak saya begitu saya melihat nomor empat," kenangnya. Mungkinkah, dia bertanya-tanya, bahwa mamalia memiliki periode pertumbuhan yang sama pada gigi dan tulang? Jika demikian, lamellae pada manusia juga akan terbentuk dalam tujuh hari, yang jauh lebih lama dibandingkan pada tikus, yang hanya membutuhkan waktu satu hari untuk melakukannya.
Bromage menyebut gagasan ini sebagai "paradigma baru". Sampai saat itu, diyakini bahwa tidak ada hubungan antara bagaimana gigi dan tulang tumbuh; tulang tidak pernah dianggap sebagai jaringan yang berkembang secara bertahap dan dapat diukur, seperti gigi dan pohon. Hubungan yang mungkin terjadi antara tingkat perkembangan gigi dan tulang sangat mendasar sehingga saya tidak dapat memberitahu siapa pun selama seminggu penuh,”kata Bromage, bahkan kepada istrinya. Dia memeriksa struktur histologis tulang dan gigi di laboratoriumnya dan menemukan bahwa ritme pertumbuhan gigi dan tulang memang sama pada monyet, domba, dan manusia.
Irama otak
Jika ritme yang dilihat Bromage pada pita pertumbuhan gigi dan tulang mamalia merupakan respons terhadap sinyal pertumbuhan, dari manakah sinyal itu bisa berasal? Bromage percaya bahwa sumbernya adalah bagian otak yang sama, seperti yang telah diketahui, mengatur bioritme sirkadian, yaitu hipotalamus. Bagaimanapun, lamanya bioritme yang dia pelajari selalu merupakan kelipatan sepanjang hari, dan jam biologis, seperti yang telah ditetapkan, memengaruhi laju pembelahan sel. Hipotalamus mampu melakukan fungsi ini, jadi "mengapa menemukan instrumen lain yang sama sekali baru?" - sebuah pertanyaan muncul dalam dirinya. Sesuatu, mungkin suatu zat yang terakumulasi di hipotalamus, dapat memvariasikan jam biologis dalam siklus beberapa hari. Bagian otak mana pun yang bertanggung jawab untuk ini, "itu hanya dimaksudkan untuk menghitung," kata Bromage.
Hipotalamus juga melakukan pekerjaan lain: mengatur kelenjar pituitari, kelenjar pituitari penghasil hormon, bagian depan mengatur ukuran tubuh dan bagian belakang mengatur durasi siklus estrus. Mungkin tidak secara kebetulan, ini adalah dua fitur fisiologis yang ditemukan Bromage yang berkorelasi langsung dengan durasi biorhythm baru.
Bromage mulai menguji teorinya. Jika sinyal yang dihasilkan di otak mengatur laju pertumbuhan, Bromage berspekulasi, maka darah harus membawa jejak sinyal ini.
Bromage menghabiskan dua minggu mengumpulkan enam mililiter sampel darah dari babi. Kemudian dia menyerahkan 1.700 sampel yang dia kumpulkan dari 33 babi ke laboratorium independen untuk mengidentifikasi 995 metabolit berbeda, zat biokimia yang diproduksi oleh tubuh.
Setelah menghabiskan 300 ribu dolar, dia menerima jawaban: dari 159 metabolit paling terkonsentrasi dengan fungsi biologis tertentu, 108 mencerminkan ritme sirkadian. Ritme paling sering berikutnya adalah ritme lima hari yang sama yang diidentifikasi Bromage pada gigi dan tulang babi. Hanya 55 dari 159 metabolit yang melewati siklus ini, dan hanya 20 di antaranya yang siklus tersebut bertepatan dengan ritme lain.
Yang mengejutkan, Bromage mengidentifikasi dua siklus lima hari dengan jarak tiga hari. Yang pertama berisi metabolit yang terkait dengan pertumbuhan, dan yang kedua - metabolit yang terbentuk selama pemecahan molekul biologis. Ini masuk akal: ketika pertumbuhan selesai, metabolit harus mengalami kerusakan agar tersedia untuk diproses pada siklus pertumbuhan berikutnya. Sungguh sistem yang dirancang dengan indah, pikir Bromage. Aku tidak akan pernah mempercayainya jika aku tidak melihatnya dengan mataku sendiri!
Dia menamai biorhythm baru "Havers-Halberg Oscillations". Nama ini diberikan untuk menghormati Clopton Havers, yang, pada akhir abad ke-17, pertama kali mendeskripsikan lamellae tulang dan yang kemudian dikenal sebagai garis-garis Retzius; dan Franz Halberg, seorang ahli kronobiologi yang meninggal pada tahun 2013 pada usia 93.
Masalah babi
Melihat ke belakang, kami menyadari bahwa menamai ritme menurut Halberg bukanlah keputusan yang paling cerdas.
Ahli kronobiologi menjadi sangat skeptis tentang penemuan bioritme multi-hari, kata Roberto Refinetti, seorang ahli fisiologi di Universitas Boise dan penulis buku teks tentang fisiologi sirkadian. Dan kami berhutang banyak kepada Halberg untuk ini. Dia memperkenalkan konsep "sirkadian". Namun, di kemudian hari, ia mengumumkan penemuan ritme yang lebih panjang, tanpa memberikan bukti yang substansial. "Dia benar-benar, seperti yang suka dia katakan, orang yang berpikiran luas," kata Refinetti. "Beberapa orang mengira dia bahkan di luar batas."
Refinetti sendiri mencoba (dan gagal) untuk mengidentifikasi ritme mingguan dalam tekanan darah dan konsentrasi asam laktat pada kuda. Dia percaya bahwa ritme lima hari Bromage pada babi mungkin hasil dari minggu kerja manusia, penemuan sosial yang relatif baru. Selain itu, katanya, tidak ada lingkungan yang bisa menjadi prasyarat untuk pengembangan ritme mingguan selama jutaan tahun. Bandingkan ini dengan ritme sirkadian, yang jelas muncul sebagai reaksi terhadap perubahan siang dan malam.
Bromage menjawab bahwa ritme yang dia identifikasi kemungkinan besar tidak dapat disebabkan oleh minggu kerja, karena babi dipelihara dalam kondisi konstan sepanjang waktu. Selain itu, jika teori Bromage benar, maka ritme ini tidak memerlukan sinyal eksternal multi-hari untuk berkembang, karena didasarkan pada jam harian yang dapat dihitung. Refinetti, tambahnya, mungkin tidak mengukur ritme mingguan pada kuda karena dia tidak mengukur keseluruhan kompleks yang terkait dengan pertumbuhan.
Dalam hal kritik terhadap data Halberg, Bromage mengatakan dia menamai ritme itu menurut namanya karena dia "memperjuangkan ritme jangka panjang ketika tidak ada orang lain di dunia yang memikirkannya." Tapi itu, kata Bromage, tidak berarti "Saya setuju dengan semua pernyataannya."
Mungkin lebih sulit untuk berdebat dengan statistik menurut data Bromage. Karena biaya dan kerumitannya, eksperimen harus dilakukan dalam jangka waktu yang lebih singkat dari yang diharapkan Bromage. Karena terlalu sedikit siklus, dia tidak dapat secara objektif memeriksa ritme. Sebaliknya, situasi mendorongnya untuk mengasumsikan ritme lima hari, dan kemudian memeriksa apakah asumsi tersebut relevan secara statistik. Jika Anda mengklaim siklus lima hari, Anda harus mengukur banyak siklus untuk mendapatkan basis statistik, kata Andrew Liu, ahli kronobiologi di University of Memphis.
Bromage setuju bahwa eksperimen itu memiliki kekurangannya sendiri. “Kami benar-benar mempercepatnya,” katanya. Sulit untuk mengukur darah babi dalam periode yang lebih lama: hewan menjadi lebih stres dan pada akhir penelitian mereka mulai mengembangkan infeksi. “Itu adalah pengalaman yang benar-benar baru bagi semua orang, jadi itu tidak sempurna dan kami belajar banyak,” kata Bromage.
Untuk mendapatkan data yang lebih akurat, dia berencana untuk memasukkan lebih banyak siklus dalam penelitian berikutnya, di mana dia akan mengukur darah pada monyet rhesus (mereka memiliki ritme empat hari) selama sebulan. Kera terbiasa dengan pengambilan sampel darah, tambahnya, artinya para ilmuwan akan mengambil sampel darah dari hewan yang tidak mengalami masalah terkait stres seperti babi.
Bromage mencatat bahwa terlepas dari ini, ia mengidentifikasi ritme lima hari dalam jenis molekul lain yang bersirkulasi dalam darah babi: RNA kecil, dan kebanyakan RNA dengan siklus lima hari juga memiliki fungsi biologis yang terkait dengan pertumbuhan. Dia tidak menganggap penemuan ini kebetulan. "Kemungkinan ini bisa terjadi sangat kecil," katanya.
Tikus berumur dua hari
Tes darah bukan satu-satunya cara para ilmuwan melacak bioritme. Liu, dari University of Memphis, mengatakan bahwa jika dia punya uang, dia akan tertarik untuk menentukan ritme multi-hari pada hewan besar dengan menggunakan gen daily reporter. Gen-gen ini dipicu oleh ritme sirkadian dan menghasilkan molekul yang dapat diukur oleh ahli biologi dengan presisi tinggi dalam waktu nyata. Asosiasi gen seperti itu dengan hipotalamus hewan dapat mengungkapkan bahwa ritme sirkadian entah bagaimana bervariasi selama jadwal beberapa hari,”kata Liu. "Itu bisa dilakukan," katanya, "dan sangat menarik."
Namun, bahkan jika ritme metabolitnya dikonfirmasi, Liu dan ilmuwan lain mengatakan, ini tidak berarti bahwa dia bertanggung jawab atas ukuran tubuh. Sebaliknya, ini mungkin hanya mencerminkan tingkat pertumbuhan yang berbeda pada hewan dengan ukuran berbeda. Seperti yang dijelaskan Liu, “hanya karena Anda menandai sesuatu dalam darah yang memiliki ritme tidak selalu berarti,” itulah alasannya.
Bromage setuju. "Ini hanya hipotesis," katanya. "Itu bisa diuji secara eksperimental." Untuk melakukan ini, dia ingin menundukkan sel-sel yang tumbuh, membelah sekali sehari, ke faktor biologis yang dapat mengubah ritme sirkadian menjadi ritme multi-hari. Setelah berhasil, katanya, para ilmuwan akan melihat apakah mereka dapat mengubah "tikus utuh menjadi hewan berumur dua hari".
Andreas von Bubnoff
