Kodėl nematodų kirminai gali turėti raktą į senėjimą

Nesunku manyti, kad sveika jauna širdis turėtų plakti reguliariau nei sena. Ne taip. Daugybė tyrimų parodė, kad širdies susitraukimų dažnio kintamumas yra geras širdies sveikatos rodiklis, o senesnės, sergančios širdys dažniausiai kinta mažiau, o ne daugiau.

Kintamumas yra laikas tarp dūžių. Nubrėžus šį pokytį laikui bėgant, matyti aiškus modelis. Sergantiems žmonėms plakimas yra reguliaresnis. Tačiau sveikiems žmonėms maži pokyčiai yra labai dažni, o dideli pokyčiai taip pat vyksta, nors ir rečiau.

Šis modelis yra svarbus. Matematikai tai vadina sunkiosios uodegos arba galios dėsnio paskirstymu, ir jis turi reikšmingų savybių. Bene labiausiai stebina masto nekintamumas. Kad ir kaip atidžiai išnagrinėtumėte tokį siužetą, jis visada atrodo taip pat. Taigi variantai, atsirandantys vienoje skalėje, atrodo lygiai taip pat, kaip ir kito masto variantai.

Nematodų kirminų judėjimo modelius dabar galima stebėti mašininio matymo sistemomis – technologija, kuri sukelia perversmą tiriant kirminų elgesį.

Šis modelis skiriasi vyresnio amžiaus žmonėms, kurių širdys yra trapesnės. Ir taip skiriasi ne tik širdies plakimas. Nervų spygliuočių modeliai ir žmogaus eisenos modeliai taip pat skiriasi priklausomai nuo amžiaus. Ir tai rodo naują būdą senėjimui tirti geriau suprantant masto nekintamumo vaidmenį biologiniuose procesuose.

Tačiau yra problema. Šiuo atžvilgiu sunku tyrinėti žmones. Senėjimo procesas užtrunka dešimtmečius, o žmones tokiais laiko tarpais sunku stebėti.

Taigi tyrėjai labai norėtų ištirti masto invariancijos prigimtį mažiau sudėtinguose organizmuose, kuriuos lengviau prižiūrėti. Tačiau šių modelių egzistavimas žemesnėse gyvybės formose dar turi būti nustatytas.

Įstojo į Luizą Alvesą iš Šiaurės vakarų universiteto Ilinojaus valstijoje ir kelis draugus, kurie rado nematodų kirminų elgsenos masto nekintamų modelių įrodymų. Be to, šie vaikinai sako, kad kirminams senstant, modeliai keičiasi ir kad tai yra naujas galingas būdas tirti biologinius procesus ir senėjimo mechanizmus.

Pirma, šiek tiek fono. Mastelio nekintamumas yra nuostata, kad kai kurie dalykai atrodo vienodai, nepaisant to, kokiu mastu į juos žiūrima.

Daugelis dalykų turi šią savybę. Pakrantės skalė yra nekintama arba fraktalinė – ji atrodo vienodai dantyta, nesvarbu, ar tiriama centimetrų, metrų ar kilometrų skalėje. Begalinė tiesė yra masto nekintama – tiesiog pažiūrėjus į ją neįmanoma sužinoti, kiek arti tokios linijos esate.

Priešingai, stačiakampiai, automobiliai ir galaktikos nėra mastelio invariantai. Šie objektai atrodo visiškai skirtingai, priklausomai nuo jų atstumo.

Mastelio nekintamumas neapsiriboja vien objektais. Pastaraisiais metais fizikai atrado daug reiškinių, kurie taip pat yra nekintami. Pavyzdžiui, miškų gaisrai yra nekintami. Yra daug mažų miško gaisrų ir keletas didelių miško gaisrų, tačiau ryšys tarp dydžio ir dažnumo yra nekintamas.

Ištirkite gaisrų dydžio ir jų dažnio diagramą ir niekaip negalite atskirti didelių ir mažų – jie visi laikosi to paties modelio. Ir tai reiškia, kad yra svarbus būdas, kuriuo miškų gaisrai yra vienodi.

Fizikai mano, kad šis panašumas pagrįstas tuo, kaip gaisrai plinta per jungčių tarp medžių tinklą. Gaisras gali plisti tik tada, kai yra šios jungtys. Tačiau tinklas nuolat keičiasi, nes auga ir nyksta medžiai.

Ir tai reiškia, kad nėra jokio būdo žinoti, kokio dydžio gaisras kils jam prasidėjus – dydis priklauso nuo tinklo pobūdžio tuo momentu.

Tai turi didelę reikšmę mūsų priežasties ir pasekmės supratimui. Miško gaisrus gali sukelti užklydusi cigaretė ar neatsargiai išmestas degtukas. Tačiau jų galutinis dydis neturi nieko bendra su šiuo paleidikliu. Tai priklauso nuo tinklo. Iš tiesų, sudėtingo reiškinio masto nekintamumas yra glaudžiai susijęs su tinklo mokslu.

Paimkite žemės drebėjimų dydį, kuris taip pat yra nekintamas. Atitinkamas tinklas yra tai, kaip jėgos perduodamos per uolienas – tai lemia galimą drebėjimo dydį.

Karai taip pat yra masto nekintamieji (matuojant pagal mirčių skaičių). Čia atitinkamas tinklas yra socialinių, karinių ir politinių įtakų plitimo būdas regione. Tai nuolat keičiasi dėl daugybės priežasčių. Tai reiškia, kad kiekvienas, kuris pradeda karą, iš principo negali žinoti, kokio dydžio jis taps. Ir paleidęs incidentas nėra svarbesnis nustatant galimą mirčių skaičių nei degtuko, kuris sukelia miško gaisrą, dydis lemia, kiek jis išplis.

Bet koks yra atitinkamas tinklas, lemiantis biologinių sistemų masto invariaciją? Niekas nėra visiškai tikras, todėl gebėjimas jį ištirti nematodų kirminuose gali būti toks svarbus.

Nauji eksperimentai, rodantys masto invariaciją, yra paprasti. Alves ir bendražygiai prasideda nuo standartinių nematodų kirminų, Caenorhabditis elegantiškas , visi gimę tą pačią dieną ir užauginti identiškomis sąlygomis laboratorijoje.

Tada komanda naudojo mašininio matymo sistemą, kad stebėtų 10–15 šių kirminų judėjimą uždaroje erdvėje 20 °C temperatūroje. Jie pakartojo šiuos stebėjimus, kai kirminai sensta daugiau nei šešias dienas, o temperatūra pakilo, kad imituotų stresą.

C. elegans paprastai gyvena apie dvi ar tris savaites, todėl šešios eksperimento dienos prilygsta žmogaus amžiaus stebėjimui nuo paauglystės iki vidutinio amžiaus. Mūsų palyginimai atlikti pagal žmogaus atitikmenį 15 metų ir 40 metų amžiaus, sako Alvesas ir kt.

Rezultatai leidžia įdomiai skaityti. Nematodų kirminai nejuda paprastomis tiesiomis linijomis ir ne visi juda vienodai, nepaisant identiško veisimosi. Vietoj to jie juda, tada sustoja, tada grįžta atgal, keliauja ilgesnius atstumus ir pan.

Šis modelis panašus į atsitiktinį pasivaikščiojimą arba Levy skrydį ir yra gerai žinomas gyvūnų elgesio specialistams. Jį sudaro daug trumpų kelionių ir daug mažesnio ilgesnių kelionių. Daugelis gyvūnų laikosi šio modelio ieškodami maisto.

Labai svarbu, kad kelionės ilgis, lyginant su dažniu, yra mastelio invariantas arba fraktalinis, kaip ir pakrantės, miškų gaisrų, karų ir žmogaus širdies plakimo kitimo dydis.

Be to, Alvesas ir bendražygiai teigia, kad šis masto nekintamumas keičiasi išmatuojamai, kai kirminai sensta arba patiria didesnį stresą. Šie pokyčiai atsiranda dėl daugelio veiksnių, tokių kaip kiaušinių dėjimas, poros paieška, maisto ieškojimas ir pan.

Tačiau svarbiausia yra tai, kad laikui bėgant arba dėl streso jie keičiasi išmatuojamais būdais. Matome statistiškai reikšmingus judrumo fraktalinio elgesio skirtumus C. elegans Skirtingam amžiui ir streso lygiui, panašiai kaip buvo pranešta apie žmogaus fiziologiją, sako Alvesas ir kt. Mūsų rezultatai rodo, kad panašumas į žmogaus senėjimo procesą yra gilesnis, nei manyta anksčiau.

Tai įdomi išvada, atverianti kelią naujai atakos linijai senėjimo tyrime. Mes tuo tikime C. elegans Galima naudoti tiriant, kaip fraktalų dinamiką sukuria fiziologinių sistemų reguliavimo procesai, ir suteikti įžvalgų apie pagrindinius procesus, reikalingus sveikai fiziologijai išlaikyti nepaisant senėjimo ir streso, teigia komanda.

C. elegans yra unikaliai pritaikytas tokiam darbui kaip vienas geriausiai ištirtų būtybių Žemėje. Jis turi paprastą kūno struktūrą su 302 neuronais ir gerai apibūdintą 100 megabazių genomą. Palyginimui, žmogaus genomas turi apie 3,6 gigabazės. Tačiau įdomu, kad 40 procentų nematodų genų yra homologai su žmogaus genais.

Tai sudaro sąlygas įdomiems tyrimams. Alvesas ir bendradarbiai išsikėlė sau ambicingą tikslą su vertu tikslu. Nekantraujame stebėti pažangą.

Nuoroda: arxiv.org/abs/1705.03318 : Ilgo nuotolio koreliacijos ir fraktalų dinamika C. Elegans: pokyčiai su senėjimu ir stresu

paslėpti