Hvorfor Nematode Orme kunne holde nøglen til aldring

Det er let at tro, at et sundt ungt hjerte skal slå mere regelmæssigt end et gammelt hjerte. Ikke så. Talrige undersøgelser har vist, at variabiliteten i hjertefrekvens er en god indikator for hjertesundhed, og ældre, sygere hjerter har en tendens til at vise mindre variation, ikke mere.

Variabiliteten er i tiden mellem slag. At plotte denne ændring over tid viser et klart mønster. Hos syge mennesker er slaget mere regelmæssigt. Men hos raske mennesker er små forandringer meget almindelige og store forandringer forekommer også, dog sjældnere.

Dette mønster er vigtigt. Matematikere kalder det en tunghalet eller magtlovfordeling, og det har væsentlige træk. Det mest overraskende er måske skalainvarians. Hvor nøje man end studerer sådan et plot, ser det altid ens ud. Så de variationer, der forekommer på en skala, ser nøjagtigt ud som variationerne på en anden skala.

Bevægelsesmønstrene for nematodeorme kan nu overvåges af machine-vision-systemer, en teknologi, der revolutionerer studiet af ormens adfærd.

Dette mønster er anderledes for ældre mennesker med mere skrøbelige hjerter. Og det er ikke kun hjertebanken, der varierer på denne måde. Neurale spidsmønstre og menneskelige gangmønstre varierer også på samme måde med alderen. Og det antyder en ny måde at studere aldring på ved bedre at forstå den rolle, som skalainvarians spiller i biologiske processer.

Der er dog et problem. Mennesker er svære at studere i denne henseende. Aldringsprocessen tager årtier, og mennesker er svære at overvåge over disse tidsskalaer.

Så forskere ville meget elske at studere karakteren af ​​skalainvarians i mindre komplekse organismer, der er nemmere at passe på. Men eksistensen af ​​disse mønstre i lavere livsformer er endnu ikke fastslået.

Indtast Luiz Alves på Northwestern University i Illinois og et par venner, som har fundet beviser for skæl-invariante mønstre i nematodeormens adfærd. Hvad mere er, siger disse fyre, at mønstrene ændrer sig, efterhånden som ormene ældes, og at dette giver en stærk ny måde at studere de biologiske processer og mekanismer bag aldring.

Først lidt baggrund. Skalainvarians er forestillingen om, at nogle ting ser ens ud, uanset i hvilken skala de ses.

Mange ting har denne egenskab. En kystlinje er skalainvariant eller fraktal – den ser lige så forrevne ud, uanset om den undersøges i skalaen centimeter, meter eller kilometer. En uendelig lige linje er skalainvariant - der er ingen måde at vide, hvor tæt du er på sådan en linje blot ved at se på den.

Derimod er rektangler, biler og galakser ikke skalainvariante. Disse objekter ser helt anderledes ud afhængigt af deres afstand.

Skalainvarians er ikke kun begrænset til objekter. I de senere år har fysikere opdaget masser af fænomener, der også er skalainvariante. For eksempel er skovbrande skalainvariante. Der er masser af små skovbrande og nogle få store skovbrande, men forholdet mellem størrelse og hyppighed er skalainvariant.

Studer et plot af størrelsen af ​​brande i forhold til deres hyppighed, og der er ingen måde at skelne mellem store og små - de følger alle det samme mønster. Og det betyder, at der er en vigtig måde, hvorpå skovbrande alle er ens.

Fysikere mener, at denne lighed er grundlagt i den måde, hvorpå brande spredes gennem netværket af forbindelser mellem træer. En brand kan kun sprede sig, når disse forbindelser er på plads. Men netværket ændrer sig konstant, efterhånden som træer vokser og dør.

Og det betyder, at der ikke er nogen måde at vide, hvor stor en brand bliver, når den starter - størrelsen afhænger af netværkets natur på det tidspunkt.

Det har store konsekvenser for vores forståelse af årsag og virkning. Skovbrande kan startes af en vildfaren cigaret eller en uforsigtigt kasseret tændstik. Men deres eventuelle størrelse har intet at gøre med denne udløser. Det afhænger af netværket. Faktisk er skalainvarians i komplekse fænomener tæt forbundet med netværksvidenskab.

Tag størrelsen af ​​jordskælv, som også er skalainvariant. Det relevante netværk her er den måde, hvorpå kræfter overføres gennem klipper - det er det, der bestemmer jordskælvets eventuelle størrelse.

Krige er også skalainvariante (målt ved antallet af dødsfald). Her er det relevante netværk måden sociale, militære og politiske påvirkninger spredes gennem en region. Dette ændrer sig konstant af utallige årsager. Det betyder, at enhver, der starter en krig, i princippet ikke kan vide, hvor stor den bliver. Og den udløsende hændelse er ikke vigtigere for at bestemme det endelige antal dødsfald, end størrelsen af ​​den tændstik, der starter en skovbrand, bestemmer, hvor langt den spreder sig.

Men hvad er det relevante netværk, der fører til skalainvarians i biologiske systemer? Ingen er helt sikker, hvorfor evnen til at studere det i nematodeorme kunne være så vigtig.

De nye eksperimenter, der viser skalainvarians, er ligetil. Alver og co begynder med standard nematodeorme, Caenorhabditis elegans , alle født samme dag og dyrket under identiske forhold i laboratoriet.

Holdet brugte derefter et maskinsynssystem til at spore bevægelsen af ​​10 til 15 af disse orme i et lukket rum ved 20 °C. De gentog disse observationer, da ormene ældes over seks dage, og også da temperaturen steg for at simulere stress.

C. elegans lever normalt omkring to til tre uger, så de seks dage af eksperimentet svarer til at observere en menneskealder fra ungdomsårene til middelalderen. Vores sammenligninger er udført for den menneskelige ækvivalent af en 15-årig og en 40-årig, siger Alves og co.

Resultaterne giver interessant læsning. Nematodeorme bevæger sig ikke i simple lige linjer, og de bevæger sig heller ikke alle på samme måde, på trods af deres identiske opvækst. I stedet bevæger de sig, stopper så, går baglæns, rejser længere afstande og så videre.

Dette mønster ligner en tilfældig gåtur eller Levy-flyvning og er velkendt for dyreadfærdsforskere. Den består af masser af korte rejser og et meget mindre antal længere traverser. Mange dyr følger dette mønster, når de søger føde.

Det afgørende er, at længden af ​​rejsen plottet mod frekvensen er skalainvariant eller fraktal, ligesom kystlinjer, størrelsen af ​​skovbrande, krige og menneskelig hjerteslagsvariation.

Hvad mere er, siger Alves og co, at denne skala-invarians ændrer sig på en målbar måde, efterhånden som ormene bliver ældre eller oplever mere stress. Disse ændringer er resultatet af mange faktorer såsom æglægning, partnersøgning, fødesøgning og så videre.

Men det vigtigste er, at de ændrer sig over tid eller med stress på målbare måder. Vi finder statistisk signifikante forskelle i fraktaladfærden af ​​motiliteten af C. elegans for forskellige aldre og stressniveauer, i lighed med hvad der er blevet rapporteret for menneskelig fysiologi, siger Alves og co. Vores resultater tyder på, at ligheden med den menneskelige aldringsproces er dybere end tidligere antaget.

Det er en interessant konklusion, der åbner vejen for en ny angrebslinje i studiet af aldring. Det tror vi på C. elegans kan bruges til at studere, hvordan fraktal dynamik skabes af de regulatoriske processer i fysiologiske systemer og give indsigt i de grundlæggende processer, der kræves for at opretholde en sund fysiologi på trods af aldring og stress, siger teamet.

C. elegans er unikt egnet til denne form for arbejde som en af ​​de bedst undersøgte skabninger på Jorden. Det har en simpel kropsstruktur med 302 neuroner og et velkarakteriseret genom på 100 megabaser. Til sammenligning har det menneskelige genom omkring 3,6 gigabaser. Men mærkeligt nok er 40 procent af nematodegenerne homologer med menneskelige.

Det sætter scenen for noget interessant forskning. Alves og co har sat sig et ambitiøst mål med et værdigt mål. Vi ser frem til at følge fremskridtene.

Ref: arxiv.org/abs/1705.03318 : Langrækkende korrelationer og fraktal dynamik i C. Elegans: Ændringer med aldring og stress

skjule