Dlaczego nicienie mogą być kluczem do starzenia się

Łatwo pomyśleć, że zdrowe, młode serce powinno bić częściej niż stare serce. Bynajmniej. Liczne badania wykazały, że zmienność częstości akcji serca jest dobrym wskaźnikiem zdrowia serca, a starsze, chore serca mają tendencję do wykazywania mniejszej zmienności, a nie większej.

Zmienność występuje w czasie pomiędzy uderzeniami. Wykres tej zmiany w czasie pokazuje wyraźny wzór. U osób chorych rytm jest bardziej regularny. Ale u zdrowych ludzi małe zmiany są bardzo częste, ale także zachodzą duże zmiany, choć rzadziej.

Ten wzór jest ważny. Matematycy nazywają to rozkładem gruboogonowym lub rozkładem mocy i ma on istotne cechy. Być może najbardziej zaskakująca jest niezmienność skali. Jakkolwiek dokładnie przyjrzysz się takiej fabule, zawsze wygląda ona tak samo. Tak więc wariacje występujące w jednej skali wyglądają dokładnie tak samo, jak wariacje w innej skali.

Wzorce ruchu nicieni można teraz monitorować za pomocą systemów widzenia maszynowego, technologii, która rewolucjonizuje badanie zachowania robaków.

Ten wzór jest inny dla osób starszych o bardziej kruchych sercach. W ten sposób zmienia się nie tylko bicie serca. Wzory impulsów nerwowych i wzorce chodu człowieka również zmieniają się w ten sam sposób wraz z wiekiem. A to sugeruje nowy sposób badania starzenia się poprzez lepsze zrozumienie roli, jaką niezmienność skali odgrywa w procesach biologicznych.

Jest jednak problem. Pod tym względem trudno jest badać ludzi. Proces starzenia trwa dziesięciolecia, a ludzi trudno jest monitorować w tych skalach czasowych.

Dlatego naukowcy bardzo chcieliby zbadać naturę niezmienności skali w mniej złożonych organizmach, którymi łatwiej się opiekować. Jednak istnienie tych wzorców w niższych formach życia nie zostało jeszcze ustalone.

Dołącz do Luiza Alvesa z Northwestern University w Illinois i kilku kumpli, którzy znaleźli dowody na niezmienne wzorce skali w zachowaniu nicieni. Co więcej, ci faceci twierdzą, że wzorce zmieniają się wraz ze starzeniem się robaków, co zapewnia nowy, potężny sposób badania biologicznych procesów i mechanizmów stojących za starzeniem się.

Najpierw trochę tła. Niezmienność skali to pogląd, że niektóre rzeczy wyglądają tak samo, niezależnie od skali, w jakiej są oglądane.

Wiele rzeczy ma tę właściwość. Linia brzegowa jest niezmienna w skali lub fraktalna — wygląda na równie postrzępioną, niezależnie od tego, czy badana jest w skali centymetrów, metrów czy kilometrów. Nieskończona linia prosta jest niezmienna w skali — nie ma sposobu, aby dowiedzieć się, jak blisko jesteś takiej linii, po prostu patrząc na nią.

Z kolei prostokąty, samochody i galaktyki nie są niezmienne w skali. Obiekty te wyglądają zupełnie inaczej w zależności od ich odległości.

Niezmienność skali nie ogranicza się tylko do obiektów. W ostatnich latach fizycy odkryli również wiele zjawisk niezmiennych w skali. Na przykład pożary lasów są niezmienne w skali. Istnieje wiele małych pożarów lasów i kilka dużych pożarów lasów, ale związek między rozmiarem a częstotliwością jest niezmienny w skali.

Przestudiuj wykres wielkości pożarów w funkcji ich częstotliwości i nie ma sposobu na rozróżnienie między dużymi a małymi – wszystkie przebiegają według tego samego wzoru. A to oznacza, że ​​istnieje ważny sposób, w jaki pożary lasów są takie same.

Fizycy uważają, że to podobieństwo wynika ze sposobu, w jaki pożary rozprzestrzeniają się poprzez sieć połączeń między drzewami. Ogień może się rozprzestrzeniać tylko wtedy, gdy te połączenia są na swoim miejscu. Ale sieć stale się zmienia, gdy drzewa rosną i obumierają.

A to oznacza, że ​​nie ma możliwości sprawdzenia, jak duży stanie się pożar, gdy się zacznie — jego wielkość zależy od charakteru sieci w danym momencie.

Ma to duże implikacje dla naszego zrozumienia przyczyny i skutku. Pożary lasu można wywołać zbłąkanym papierosem lub niedbale wyrzuconą zapałką. Ale ich ostateczny rozmiar nie ma nic wspólnego z tym wyzwalaczem. To zależy od sieci. Rzeczywiście, niezmienność skali w złożonym zjawisku jest ściśle powiązana z nauką o sieciach.

Weźmy rozmiar trzęsień ziemi, który jest również niezmiennikiem skali. Istotną siecią jest tutaj sposób, w jaki siły są przenoszone przez skały — to właśnie określa ostateczną wielkość trzęsienia.

Wojny są również niezmienne w skali (mierzone liczbą zgonów). Tutaj właściwa sieć to sposób, w jaki wpływy społeczne, militarne i polityczne rozprzestrzeniają się w regionie. To się ciągle zmienia z niezliczonych powodów. Oznacza to, że każdy, kto rozpoczyna wojnę, w zasadzie nie może wiedzieć, jak duża się ona stanie. Incydent wywołujący nie jest ważniejszy dla określenia ostatecznej liczby zgonów niż rozmiar meczu, który powoduje pożar lasu, określa, jak daleko się on rozprzestrzenia.

Ale jaka jest właściwa sieć, która prowadzi do niezmienności skali w systemach biologicznych? Nikt nie jest do końca pewien, dlatego możliwość badania tego w nicieniach może być tak ważna.

Nowe eksperymenty wykazujące niezmienność skali są proste. Alves i co zaczynają się od standardowych nicieni, Caenorhabditis elegans , wszystkie urodzone tego samego dnia i wyhodowane w identycznych warunkach w laboratorium.

Następnie zespół wykorzystał system widzenia maszynowego do śledzenia ruchu od 10 do 15 tych robaków w zamkniętej przestrzeni o temperaturze 20 °C. Powtórzyli te obserwacje, gdy robaki starzały się przez sześć dni, a także w miarę wzrostu temperatury, aby zasymulować stres.

C. elegans zwykle żyją około dwóch do trzech tygodni, więc sześć dni eksperymentu jest równoważne obserwowaniu wieku człowieka od wieku młodzieńczego do wieku średniego. Nasze porównania są przeprowadzane dla ludzkiego odpowiednika 15-latka i 40-latka, powiedzmy Alves i spółka.

Wyniki stanowią ciekawą lekturę. Robaki nicieni nie poruszają się po prostych liniach i nie wszystkie poruszają się w ten sam sposób, pomimo identycznego odchowu. Zamiast tego poruszają się, potem zatrzymują, potem cofają, pokonują większe odległości i tak dalej.

Ten wzór jest podobny do losowego spaceru lub lotu Levy'ego i jest dobrze znany behawiorystom zwierząt. Składa się z wielu krótkich podróży i znacznie mniejszej liczby dłuższych trawersów. Wiele zwierząt podąża za tym wzorem, gdy szuka pożywienia.

Co najważniejsze, długość podróży wykreślona w zależności od częstotliwości jest niezmienna w skali lub fraktalna, podobnie jak linie brzegowe, wielkość pożarów lasów, wojen i zmienność bicia serca człowieka.

Co więcej, Alves i wsp. twierdzą, że niezmienność skali zmienia się w wymierny sposób, gdy robaki się starzeją lub doświadczają większego stresu. Zmiany te są wynikiem wielu czynników, takich jak składanie jaj, poszukiwanie partnera, żerowanie pożywienia i tak dalej.

Ale kluczową rzeczą jest to, że zmieniają się z czasem lub ze stresem w wymierny sposób. Znajdujemy statystycznie istotne różnice w fraktalnym zachowaniu ruchliwości C. elegans dla różnych grup wiekowych i poziomów stresu, podobnie jak w przypadku fizjologii człowieka, powiedzmy Alves i spółka. Nasze wyniki sugerują, że podobieństwo do procesu starzenia się człowieka jest głębsze niż wcześniej sądzono.

To ciekawy wniosek, który otwiera drogę do nowej linii ataku w badaniu starzenia się. Wierzymy, że C. elegans Zespół twierdzi, że można go wykorzystać do badania, w jaki sposób fraktalna dynamika jest tworzona przez procesy regulacyjne systemów fizjologicznych i zapewnia wgląd w podstawowe procesy wymagane do utrzymania zdrowej fizjologii pomimo starzenia się i stresu.

C. elegans jest wyjątkowo przystosowany do tego rodzaju pracy jako jedno z najlepiej zbadanych stworzeń na Ziemi. Ma prostą strukturę ciała z 302 neuronami i dobrze scharakteryzowanym genomem o wielkości 100 mega zasad. Dla porównania, ludzki genom ma około 3,6 gigabaz. Co ciekawe, 40 procent genów nicieni jest homologami z ludzkimi.

To przygotowuje grunt pod interesujące badania. Alves i spółka postawili sobie ambitny cel z wartościowym celem. Z niecierpliwością czekamy na monitorowanie postępów.

Nr ref.: arxiv.org/abs/1705.03318 : Korelacje dalekiego zasięgu i dynamika fraktalna u C. Elegans: Zmiany wraz ze starzeniem się i stresem

ukryć