Pelko saa luurangon elämään

Luut muuttuvat jatkuvasti

Luusto on noin kymmenen kilon kokonaispainollaan selvästi kehon suurin elin.

Valkoisissa luunpätkissä esiintyvä aktiivisuus juontuu osaksi niiden sisällä olevista kantasoluista, jotka muodostavat luuytimen ja vastaavat jatkuvasta elintärkeiden puna- ja valkosolujen tuotannosta, osaksi itse kovan luukudoksen sisuksesta.

Siellä kukoistavat ne solut, jotka huolehtivat luuston kasvusta ja murtumien parantumisesta.

Luiden rakennetta voidaan verrata raudoitettuun betoniin. Kun ne kasvavat pituutta ja paksuutta, ne eivät voi vain venyä niin kuin muut kudokset.

Lujien proteiinisäikeiden verkko on täynnä mineraalikerrostumia, jotka tekevät niistä kovia, jäykkiä, venymättömiä ja laajentumattomia.

Elottoman luukudoksen erikokoisten onteloiden lomassa elää kuitenkin aktiivisesti toimivia soluja. Erityisesti kahdella solutyypillä on merkitystä luiden kasvulle.

Toinen solutyyppi on osteoklastit, joita nimitetään myös luunsyöjäsoluiksi, sillä ne kaapivat luukudosta sisäänsä liikkuessaan etanan tavoin luiden pinnalla.

Osteoklastit siis hajottavat luita. Toinen solutyyppi, osteoblastit, sen sijaan muodostaa luuta ja siten uudistaa luustoa.

Luut koostuvat kovasta ulkokuoresta ja reikäisestä sisuksesta ja kasvavat, kun mainitut kaksi solutyyppiä koordinoivat toimintansa esimerkiksi niin, että reisiluuta häviää ensisijaisesti sisäpuolelta ja syntyy lisää ulkopuolelle.

Jos luu murtuu, osteoklastit hiovat murtopinnat yhteen sopiviksi, ja sen jälkeen osteoblastit kiinnittävät ne toisiinsa täyttämällä välin uudella luukudoksella.

Gerard Karsenty huomasi jo vuonna 2010, että osteoblastit eivän ainoastaan muodosta uutta luuta, vaan ne myös tuottavat osteokalsiini-hormonia. Vuonna 2019 hän paljasti, että hormoni vaikuttaa kehon stressireaktioon. Karsenty teki kokeensa hiirillä.

Niille joko annettiin heikko sähköisku jalkoihin tai tuoksutettiin ketunvirtsan hajua. Kumpikin ärsyke saa hiiret pelkäämään niin, että ne vaistomaisesti lamaantuvat: ne eivät liiku, mutta sekä syke että hengitys kiihtyvät.

Karsentyn säikähtäneiltä hiiriltä ottamista verinäytteistä kävi ilmi, että veren osteokalsiinipitoisuus oli viisinkertaistunut kahdessa minuutissa.

Vanhastaan pelkoreaktioon yhdistetyn adrenaliinin määrä ei sen sijaan suurentunut tässä ajassa. Sen taso nousi vasta viiden minuutin kuluttua, jolloin puolestaan osteokalsiinia oli jo vähemmän.

Jatkotutkimusten mukaan mantelitumakkeet, joita pidetään aivojen tunnetietokoneena, lähettivät viestejä luille ja saivat ne täyttämään veren osteokalsiinilla paljon ennen adrenaliiniryöppyä.

Karsenty ei voinut kuitenkaan varmistua siitä, että luuhormoni osallistui suoraan pakene tai taistele -stressireaktion aikaansaamiseen.

Asian selvittämiseksi Karsenty loi ryhmän muuntogeenisiä hiiriä, joissa ei synny osteokalsiinia. Kun hiirien jaloille annettiin sähköisku, ne eivät reagoineet luonnolliseen tapaan säikähtämällä.

Elimistö ei käytännössä osoittanut mitään hälytystilan merkkejä, sillä sekä syke että hengitys pysyivät rauhallisina – etenkin verrattuna niihin tavallisiin hiiriin, jotka jännittyivät äärimmilleen.

Karsenty selvitti myös osteokalsiinin vaikutusta muuntogeenisiin hiiriin. Kun niiden verenkiertoon ruiskutettiin suuri annos hormonia, ne joutuivat pakene tai taistele -tilaan ilman pelkoärsykkeitä.

Luuhormoni nukuttaa hermoja

Karsentyn koesarja todistaa siis, että ilman osteokalsiinia normaalia pelkoreaktiota ei voi syntyä.

Toisin sanoen elimistön virittää hälytystilaan lisämunuaisten erittämän adrenaliinin sijasta luuhormoni silloin, kun koetaan yllättävää uhkaa tai jännitystä.

Useiden muiden kokeiden avulla Karsenty onnistui valottamaan sitä prosessia, jolla osteokalsiini saa aikaan stressivasteen.

Kun hormoni leviää verenkierrossa ja pääsee kosketuksiin parasympaattisen hermoston hermosolujen kanssa, hermot vaipuvat uneen ja lähettävät vähemmän viestejä.

Parasympaattinen hermosto muodostaa yhdessä sympaattisen hermoston kanssa autonomisen eli tahdosta riippumattoman hermoston, joka yhdistää aivot muihin elimiin ja säätelee monia tiedostamattomia kehon toimintoja, kuten sykettä, hengitystä, ruoansulatusta ja virtsaneritystä.

Autonomisen hermoston pääosilla on vastakkaisia tehtäviä. Parasympaattinen hermosto yrittää pitää elimistön rentona taatakseen syömä- ja ruoansulatusrauhan, ja sympaattinen hermosto saa aikaan pakene tai taistele -reaktion stressivasteena.

Kun osteokalsiini – kuten Karsentyn kokeet osoittivat – vaimentaa parasympaattisen hermoston rentouttavia hermoimpulsseja, sympaattinen hermosto pääsee vapaasti siirtämään elimistön hälytystilaan ja kiihdyttämään verenkiertoa ja hengitystä.

Lihakset saavat lisää polttoainetta

Aikaisempien tutkimusten ansiosta on tiedetty, että luuhormoni osteokalsiinilla on useita muita tehtäviä kuin stressireaktion laukaiseminen.

Karsentyn mukaan kaikki sopivat kokonaisuuteen, jossa on kysymys ihmisten, hiirien ja muidenkin eläinten selviytymismahdollisuuksista ja olemassaolon taistelusta vaarallisessa maailmassa.

Vuonna 2016 Karsenty sai selville, että osteokalsiini saa lihakset ottamaan enemmän glukoosia ja rasvahappoja verestä ja käyttämään niitä tehokkaammin polttoaineena.

Kun Karsenty teetti tavallisilla ja osteokalsiinia tuottamattomilla muuntogeenisillä hiirillä juoksutestin, kävi selvästi ilmi, että lisäenergia vaikuttaa fyysiseen suorituskykyyn.

Luuhormoni paransi kestävyyttä merkittävästi, sillä tavalliset hiiret jaksoivat juosta noin 25 prosenttia pitempään ja kovempaa vauhtia kuin verrokit.

Osteokalsiinin myönteinen vaikutus lihasten toimintaan ilmenee kaiken lisäksi positiivisena kierteenä. Fyysinen rasitus saa nimittäin luut erittämään lisää hormonia.

Luuta hajottavat ja luuta muodostavat solut, jotka elävät luukudoksen pinnalla ja sen onteloissa, saavat seuraa kolmannesta solutyypistä, osteosyyteistä.

Niitä esiintyy syvällä tiiviissä luukudoksessa, ja niiden tärkeimpiä tehtäviä on säädellä kahden muun luusolutyypin toimintaa ja sitä kautta pitää luiden hajotus- ja muodostusprosessit tasapainossa.

Lisäksi osteosyytit rekisteröivät luustoon kohdistuvan kuormituksen silloin, kun harrastetaan liikuntaa tai ollaan muulla tavalla fyysisesti aktiivisia.

Kun esimerkiksi juostaan, jalat iskeytyvät alustaa, kuten maata, vasten. Tällöin syntyy mekaaninen voima, joka siirtyy jaloista selkärankaan.

Kun taas nostetaan raskas taakka, käsien luihin kohdistuu vetävä ja pieni taivuttava voima. Tällaiset mekaaniset vaikutukset rekisteröityvät osteosyyteissä, jotka kuuluvat erottamattomasti itse luukudokseen.

Ne reagoivat tilanteeseen antamalla osteoblasteille käskyn kiihdyttää osteokalsiinin tuotantoa.

Luuhormoni ei siis ainoastaan huolehdi elimistön saattamisesta hälytystilaan, kun vaara yllättää, vaan se myös varmistaa, että lihakset saavat riittävästi energiaa pakenemiseen tai taistelemiseen.

Gerard Karsenty on tehnyt vielä pitemmälle menevän päätelmän. Hän uskoo, että toinen hänen aikaisemmista havainnoistaan täydentää kuvan osteokalsiinista ensisijaisena suojana uhkia vastaan.

Karsenty päätteli vuonna 2013 tekemiensä hiirikokeiden tuloksista, että hormoni vaikuttaa myös aivoihin.

Muuntogeeniset hiiret unohtelivat

Karsenty siirsi ne hiiret, jotka eivät kyenneet tuottamaan osteokalsiinia, vieraassa ympäristössä olevaan helposti hahmotettavaan tilaan. Siellä niille annettiin muutaman minuutin välein heikko sähköisku jalkoihin.

Lievä kipuaistimus aiheuttaa hiirissä normaalisti pelkoa, johon niiden elimistö reagoi hälytystilalla. Yleensä hiiret oppivat nopeasti yhdistämään paikan ja epämiellyttävän kokemuksen toisiinsa ja tallentavat tiedon muistiinsa.

Kun hiiret palaavat paikalle, ne jähmettyvät heti kauhusta. Muuntogeeniset hiiret, joilta puuttui osteokalsiini, osasivat kuitenkin läksynsä huonosti: ne osoittivat paljon vähemmän kauhusta lamaantumisen merkkejä kuin verrokit.

Toisessa kokeessa selvitettiin eläinten muisti- ja oppimistoimintoja Morrisin vesilabyrintin avulla. Siinä hiiret uivat altaassa ja etsivät veden pinnan alla piilossa olevia alustoja, joilla ne voivat levätä.

Koesarjat paljastavat, kuinka nopeasti hiiret oppivat alustojen sijainnin ja kuinka määrätietoisesti ne hakeutuvat niille.

Karsentyn tutkimuksessa kävi ilmi, että normaalit hiiret muistavat paremmin, missä alustat sijaitsevat, ja pyrkivät uimaan suoraan niille, jotta ne tuntevat, että jalat ulottuvat pohjaan.

Muuntogeeniset hiiret, joiden luut eivät tuota osteokalsiinia, käyttäytyivät kokeessa toisin.

Niiden oli hyvin vaikea painaa muistiinsa paikantamiensa alustojen sijaintia ja palauttaa paikkatietoja mieleensä, saivatpa ne tehdä kuinka monta uintikierrosta tahansa. Loppupäätelmäksi tuli, että alustalle päätyminen oli pelkkä sattuma.

Koko tutkimuspaletti vakuutti Karsentyn siitä, että luiden tuottama osteokalsiini on tärkeä aine aivojen luonnollisen kehityksen ja toiminnan kannalta. Hormonin puute haittaa oppimista ja muistamista sekä huonontaa kykyä tajuta vaaratilanteita.

Kun Karsenty teki kokeet vuonna 2013, hän ei juuri pohtinut sitä, miksi nimenomaan luusto osallistuu tiedonkäsittelyprosessien vahvistamiseen. Tilanne muuttui vuonna 2019.

Se havainto, että luuhormoni on avainasemassa elimistön virittymisessä hälytystilaan, sai yhtäkkiä ratkaisun osaset loksahtamaan paikoilleen.

Karsenty kirjoitti julkistaessaan tutkimustuloksensa: ”Luut ovat todennäköisesti kehittyneet selkärankaisille välineeksi välttää vaaroja.”

Hänen tuore käsityksensä pohjautuu luurangon perustehtävään tukirankana, joka sekä antaa suojaa rintakehän ympäröimille sisäelimille että tarjoaa kehoa liikuttaville lihaksille kiinnittymiskohdat.

Karsenty viittaa kuitenkin myös kuuloon, joka toimii ihmisellä ja muilla selkärankaisilla sisäkorvan luiden varassa.

Kuulo on monessa mielessä käytännöllinen aisti, mutta evoluution näkökulmasta tarkasteltuna sen syntyminen vaikuttaa liittyvän tarpeeseen havaita pedot ja muut uhkatekijät niin kaukaa, että ne eivät voi yllättää.

Luuranko muodostui jätteistä

Geobiologi Shuhai Xiao yhdysvaltalaisesta Virginia Tech -yliopistosta on yli kymmenen vuotta tutkinut fossiileja saadakseen selville luuston kehityshistorian.

Hän uskoo, että alkuvaiheessa luiden muodostuminen oli keino päästä eroon haitallisista kuona-aineista. Sen sijaan, että kalsium- ja fosforiyhdisteet olisivat erittyneet ulos, ne mineralisoituivat eräänlaiseksi alkeelliseksi luukudokseksi, joka siis toimi ensin jätevarastona.

Noin 600 miljoonaa vuotta sitten evoluutio otti kuitenkin jätteet hyötykäyttöön. Monet tuon ajan eläimet tekivät muutoksia ruokavalioonsa ja kehittyivät pedoiksi. Silloin paine saada lisää suojaa alkoi kasvaa nopeasti.

Puolustustarvetta luukudos saattoi tyydyttää ensin toimimalla jonkinlaisena suojapanssarina, mutta myöhemmin muun muassa matomaisille ja leuattomille konodonteille kehittyi selkärangan esiaste, joka hyödynsi kovaa jäteainetta.

Alkeellinen selkäranka antoi konodonteille mahdollisuuden kiemurrella vedessä ja siten paremmin vältellä petoja, joten ominaisuus oli äärimmäisen hyödyllinen.

Niin sanotun kambrikauden räjähdyksen aikana 543 miljoonaa vuotta sitten ilmaantui harvinaisen paljon uusia eläinryhmiä ja -lajeja, ja menestyjiin kuuluivat nimenomaan selkärankaiset.

Ajan mittaan ihminen ja muut selkärankaiset ovat hioneet luustonsa toimintaa ja saaneet osteokalsiini-hormonista välittäjäaineen, joka auttaa hallitsemaan vaaroja muutenkin kuin vain virittämällä elimistön hälytystilaan.

Osteokalsiini esimerkiksi tehostaa kivesten mieshormonin tuotantoa ja tällä tavoin edistää lihaksiston kasvua. Suuremmasta lihasvoimasta voi olla etua pakene tai taistele -reaktion aiheuttavissa puolustustilanteissa.

Lisäksi on tiedetty jo yli kymmenen vuotta, että osteokalsiinilla on tärkeä osa sokeri- ja rasva-aineenvaihdunnassa.

Vaikutus tulee esiin muun muassa siten, että hormoni paitsi saa haiman erittämään enemmän insuliinia myös herkistää monia kehon soluja insuliinille.

Tällä kaksivaikutteisella toiminnalla osteokalsiini vakauttaa verensokeritasoa ja ehkäisee sekä diabetesta että lihomista.

Siitä huolimatta, että luuhormoni vaikuttaa monin eri tavoin elimistöön, sillä ei näytä olevan minkäänlaista vaikutusta itse luustoon.

Kaikki viittaa nimittäin siihen, että luuston osteokalsiinin tuotanto palvelee ensisijaisesti yhtä ainoaa päämäärää eli sitä, että elimistö virittyy hetkessä täyteen toimintavalmiuteen, kun autiolla kadulla kuullaan lähestyvien askelten ääni.