Diminutas líneas en el esmalte dental revelan un ritmo biológico previamente desconocido. Si se confirman los datos, este hallazgo ayudará a los investigadores a comprender por qué los animales más grandes crecen más lentamente y viven más que los más pequeños.
Un verano del año pasado, Timothy Bromage, paleontólogo de la Universidad de Nueva York, mientras estaba de vacaciones en Chipre, estaba masticando una chuleta de cordero. De repente escuchó un crujido. Cuando el sonido fue seguido por un dolor agudo, se dio cuenta de que se había roto un diente.
Cuando regresó a Nueva York, su dentista le dijo que tendría que soportar tres meses de agonía si quería que le restauraran un diente. "O deme sólo cinco minutos", dijo el médico, "y lo sacaré ahora mismo".
Eliminación preferida de Bromage. Así, pudo realizar una sección delgada del diente, que es lo que había querido hacer durante varios años, para medir un nuevo tipo de biorritmo, que estudió en los dientes permanentes de los mamíferos. Este no es un biorritmo circadiano bien estudiado, sino uno más largo, que difiere de una especie a otra, que dura de dos días a dos semanas. Bromage cree que este ritmo puede establecer la tasa de crecimiento de los animales y su vida útil.
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En ratas, el biorritmo dura un día; en macacos - cuatro, en ovejas - cinco, en humanos - de seis a 12 días. Bromage confirmó esta relación en decenas de otros mamíferos vivos y extintos, incluidos los elefantes asiáticos, que tienen un biorritmo que dura 14 días. (Hay excepciones: por ejemplo, los perros no muestran esta relación).
En general, el ritmo más lento en las especies de mamíferos más grandes está justificado: los animales grandes crecen más lentamente que los animales más pequeños, pasando períodos más largos. Bromage cree que el ritmo de los dientes y los huesos refleja una señal de crecimiento que estimula la tasa de división celular, que las células del cuerpo reciben esta señal a intervalos regulares. Cuanto más a menudo se reciben tales señales, más rápido crece el animal.
El intervalo rítmico aumenta no solo con el peso corporal, Bromage descubrió que aumenta con otras características que aumentan junto con el peso corporal, por ejemplo, la esperanza de vida, la duración de la lactancia, la tasa metabólica, la duración del ciclo estral e incluso el tamaño de los riñones. Esto sugiere que midiendo la tasa de crecimiento de un solo diente, incluso si es un animal extinto, será posible determinar no solo el tamaño de su cuerpo, sino también muchas de sus otras características.
“Denme cualquier diente, cualquier diente de primate permanente, simplemente tíremelo, no me diga qué primate es, y reconstruiré el tamaño de sus riñones, cuánto tiempo vivió, todas esas características”, dice Bromage. "Es increíble la ventana de oportunidad que abre este material para encontrar la clave de la vida".
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Después de recibir el prestigioso premio Max Planck Science Prize con un colega en 2010, Bromage gastó los 750.000 € en investigación para determinar si las muestras de sangre de animales reflejan los mismos ritmos que los dientes. La investigación fue costosa y llevó mucho tiempo, también porque los ratones y las ratas (los caballos de batalla baratos de la biología) no tienen un ritmo de varios días y no pueden usarse como sujetos experimentales.
Los resultados de su investigación, publicada en 2016, aún no son lo suficientemente sólidos como para convertirse en un descubrimiento. Muchos cronobiólogos se muestran escépticos al respecto.
Pero "¿y si tiene razón después de todo?", Pregunta Robin Bernstein, un biólogo antropólogo de la Universidad de Colorado en Boulder que ha estudiado la evolución del tamaño corporal y ahora está estudiando el crecimiento de humanos y primates no humanos. “En mi opinión, es una de esas personas que se adelantan a su tiempo”, dice. “Quizás no haya nada especial aquí, pero es original, realmente interesante y creo que se podría hacer mucho al respecto”.
Conexiones dentales
Bromage se interesó por los dientes cuando era un estudiante de posgrado a mediados de la década de 1980. En ese momento, los científicos sabían que así como los árboles forman anillos anuales, se forman rayas de crecimiento diario en el esmalte de los dientes. En las décadas de 1930 y 1940, los científicos japoneses las descubrieron en los dientes de perros, ratas, cerdos y macacos.
Los mamíferos también tienen rayas prominentes llamadas rayas Retzius. En los primeros homínidos estudiados en ese momento por Bromage, siete bandas diarias separaban cada linaje de Retzius. Nadie sabía cómo o por qué se formaron, pero Bromage pudo usarlos como marcador para mostrar que los primeros molares permanentes aparecieron en los primeros homínidos alrededor de los tres años, como los chimpancés, mucho antes que los humanos modernos. Esto significaba que los primeros homínidos no eran solo versiones en miniatura de los humanos modernos, como se creía entonces, sino que estaban más cerca de los simios.
En 1991, Bromage confirmó que las líneas de Retzius en los macacos estaban separadas por solo cuatro líneas de crecimiento diarias, en comparación con siete en los primeros homínidos. Luego, en 2000, se dio cuenta de que los huesos también tienen un patrón de crecimiento periódico. Descubrió que las rayas, llamadas laminillas, se formaban en los huesos de las ratas en solo un día. ¿Cómo podría ser esto posible si los huesos humanos crecen mucho más lentamente que los huesos de las ratas?
“No se me ha pasado de la cabeza durante años”, dice Bromage. Y luego, un día de 2008, leyó en una disertación de uno de sus alumnos que las laminillas en los huesos de los macacos se forman en cuatro días, es decir, de la misma forma que las líneas de Retzius, que encontró en los dientes de los macacos en 1991. “Este recuerdo de 1991 me vino a la mente en el momento en que vi el número cuatro”, recuerda. ¿Podría ser posible, se preguntó, que los mamíferos tengan los mismos períodos de crecimiento en dientes y huesos? Si este es el caso, entonces las laminillas en humanos también deberían formarse en siete días, que es mucho más tiempo que en las ratas, que solo toma un día para hacerlo.
Bromage llamó a esta idea "un paradigma completamente nuevo". Hasta ese momento, se creía que no había conexión entre cómo crecen los dientes y los huesos; Nunca se pensó en los huesos como un tejido que se desarrolla en etapas graduales y mensurables, como los dientes y los árboles. Cualquier posible conexión entre la tasa de desarrollo de los dientes y los huesos era tan fundamental que no pude decirle nada a nadie durante una semana”, dice Bromage, incluso a su esposa. Comprobó la estructura histológica de huesos y dientes en su laboratorio y descubrió que los ritmos de crecimiento de dientes y huesos coincidían en macacos, ovejas y humanos.
El ritmo del cerebro
Si los ritmos que Bromage vio en las bandas de crecimiento de los dientes y huesos de los mamíferos fueran una respuesta a una señal de crecimiento, ¿de dónde podría provenir esa señal? Bromage cree que su origen es la misma parte del cerebro que, como ya se sabe, establece el biorritmo circadiano, es decir, el hipotálamo. Después de todo, la duración de los biorritmos que estudió es siempre un múltiplo de un día completo, y el reloj biológico, como ya se ha establecido, afecta la tasa de división celular. El hipotálamo es capaz de realizar esta función, así que "¿por qué inventar otro instrumento completamente nuevo?", Surgió una pregunta en él. Algo, tal vez una sustancia que se acumula en el hipotálamo, puede variar el reloj biológico en un ciclo de varios días. Cualquiera que sea la parte del cerebro responsable de esto, "está destinado a contar", dice Bromage.
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El hipotálamo también hace otra función: regula la glándula pituitaria, una glándula pituitaria productora de hormonas, cuya parte frontal regula el tamaño del cuerpo y la parte posterior regula la duración del ciclo estral. Quizás no por casualidad, estas son las únicas dos características fisiológicas que Bromage encontró que se correlacionan directamente con la duración del nuevo biorritmo.
Bromage comenzó a probar su teoría. Si la señal generada en el cerebro regula la tasa de crecimiento, especuló Bromage, entonces la sangre debe llevar rastros de esta señal.
Bromage pasó dos semanas recolectando seis mililitros de muestras de sangre de cerdos. Luego entregó más de 1.700 muestras que recolectó de 33 cerdos a un laboratorio independiente para identificar 995 metabolitos diferentes, sustancias bioquímicas producidas por el cuerpo.
Luego de gastar 300 mil dólares, recibió la respuesta: de los 159 metabolitos más concentrados con una función biológica específica, 108 reflejaban el ritmo circadiano. El siguiente ritmo más frecuente fue el mismo ritmo de cinco días que Bromage identificó en los dientes y huesos de los cerdos. Solo 55 de los 159 metabolitos pasaron por este ciclo, y solo en 20 el ciclo coincidió con otros ritmos.
Para su sorpresa, Bromage identificó dos ciclos de cinco días con tres días de diferencia. El primero contenía metabolitos asociados con el crecimiento y el segundo, metabolitos formados durante la descomposición de moléculas biológicas. Esto tenía sentido: cuando el crecimiento termina, los metabolitos deben sufrir una descomposición para estar disponibles para su procesamiento en el siguiente ciclo de crecimiento. Qué sistema tan exquisitamente diseñado, pensó Bromage. ¡Nunca lo hubiera creído si no lo hubiera visto con mis propios ojos!
Llamó al nuevo biorritmo "Oscilaciones de Havers-Halberg". El nombre se da en honor a Clopton Havers, quien, a finales del siglo XVII, describió por primera vez las laminillas óseas y lo que más tarde se conocería como las rayas de Retzius; y Franz Halberg, un cronobiólogo que murió en 2013 a la edad de 93 años.
El problema del cerdo
Mirando hacia atrás, nos damos cuenta de que nombrar el ritmo como Halberg no fue la decisión más inteligente.
Los cronobiólogos se han vuelto extremadamente escépticos sobre el descubrimiento de biorritmos de varios días, dice Roberto Refinetti, fisiólogo de la Universidad de Boise y autor de un libro de texto sobre fisiología circadiana. Y le debemos mucho a Halberg por esto. Introdujo el concepto mismo de "circadiano". Sin embargo, en el futuro, anunció el descubrimiento de ritmos más largos, sin presentar evidencia sustancial. "Él era verdaderamente, como le gustaba decir, un hombre de mente amplia", dijo Refinetti. "Algunos pensaron que incluso estaba fuera de los límites".
El propio Refinetti intentó (y falló) identificar un ritmo semanal en la presión arterial y la concentración de ácido láctico en los caballos. Él cree que el ritmo de cinco días de Bromage en los cerdos puede ser el resultado de una semana laboral humana, una invención social relativamente nueva. Además, dice, nada en el entorno podría haber sido un requisito previo para el desarrollo de un ritmo semanal durante millones de años. Contraste esto con el ritmo circadiano, que obviamente surgió como una reacción al cambio de día y noche.
Bromage respondió que los ritmos que identificó probablemente no podrían ser causados por la semana de trabajo, porque los cerdos se mantuvieron en condiciones constantes todo el tiempo. Además, si la teoría de Bromage es correcta, entonces estos ritmos no necesitarían una señal externa de varios días para desarrollarse, ya que se basan en horas diarias que se pueden contar. Refinetti, agregó, probablemente no midió el ritmo semanal en los caballos porque no midió todo el complejo asociado con el crecimiento.
En cuanto a las críticas a los datos de Halberg, Bromage dijo que nombró el ritmo en su honor porque "defendía los ritmos a largo plazo cuando nadie más en la tierra pensaba en ello". Pero eso, dice Bromage, no significa "Estoy de acuerdo con todas sus declaraciones".
Quizás sea más difícil discutir con las estadísticas según los datos de Bromage. Debido al costo y la complejidad, el experimento tuvo que llevarse a cabo en un período de tiempo más corto de lo que Bromage esperaba. Dado que había muy pocos ciclos, no pudo comprobar los ritmos de manera objetiva y estadística. En cambio, la situación lo llevó a asumir un ritmo de cinco días y luego verificar si esa suposición era estadísticamente relevante. Si afirma que hay un ciclo de cinco días, debe medir muchos ciclos para tener una base estadística, dice Andrew Liu, cronobiólogo de la Universidad de Memphis.
Bromage estuvo de acuerdo en que el experimento tenía sus propios defectos. “Realmente lo aceleramos”, dice. Sería difícil medir la sangre de los cerdos durante un período más largo: los animales se estresaron más y, al final del estudio, comenzaron a desarrollar infecciones. “Fue una experiencia totalmente nueva para todos, por lo que no fue perfecta y aprendimos mucho”, dice Bromage.
Para obtener datos más precisos, planea incluir más ciclos en su próximo estudio, durante el cual medirá la sangre en monos rhesus (tienen un ritmo de cuatro días) durante un mes. Los macacos están acostumbrados a las muestras de sangre, agregó, lo que significa que los científicos tomarán muestras de sangre de animales que no experimentan problemas relacionados con el estrés, como los cerdos.
Bromage señaló que independientemente de esto, identificó un ritmo de cinco días en otro tipo de moléculas que circulan en la sangre de los cerdos: los ARN pequeños, y la mayoría de los que tienen un ciclo de cinco días también tienen una función biológica relacionada con el crecimiento. No cree que este descubrimiento sea una coincidencia. "La posibilidad de que esto suceda es astronómicamente pequeña", dice.
Rata de dos días
Los análisis de sangre no son la única forma en que los científicos pueden rastrear los biorritmos. Liu, de la Universidad de Memphis, dice que si tuviera dinero, estaría interesado en determinar el ritmo de varios días en un animal grande usando el gen reportero diario. Estos genes son activados por el ritmo circadiano y producen una molécula que los biólogos pueden medir con alta precisión en tiempo real. La asociación de tal gen con el hipotálamo del animal puede revelar que el ritmo circadiano varía de alguna manera a lo largo de un programa de varios días”, dice Liu. "Es factible", dice, "y muy interesante".
Sin embargo, incluso si se confirma el ritmo de los metabolitos, dicen Liu y otros científicos, esto no significa que él sea responsable del tamaño corporal. Más bien, simplemente puede reflejar diferentes tasas de crecimiento en animales de diferentes tamaños. Como explicó Liu, "el hecho de que marques algo en la sangre que tiene ritmos no significa necesariamente", esa es la razón.
Bromage estuvo de acuerdo. "Esto es sólo una hipótesis", dijo. "Se puede probar experimentalmente". Para hacer esto, quiere someter las células cultivadas, divididas una vez al día, a factores biológicos que podrían convertir el ritmo circadiano en un ritmo de varios días. Una vez que funcione, dice, los científicos verán si pueden convertir una "rata completa en un animal de dos días".
Andreas von Bubnoff
