211service.com
Hvorfor Nematode Ormer kan holde nøkkelen til aldring
Det er lett å tenke at et sunt ungt hjerte bør slå mer regelmessig enn et gammelt hjerte. Ikke så. Tallrike studier har vist at variasjonen i hjertefrekvens er en god indikator på hjertehelse og eldre, sykere hjerter har en tendens til å vise mindre variasjon, ikke mer.
Variasjonen er i tiden mellom slagene. Å plotte denne endringen over tid viser et tydelig mønster. Hos syke mennesker er slaget mer regelmessig. Men hos friske mennesker er små forandringer svært vanlige og store endringer skjer også, om enn sjeldnere.
Dette mønsteret er viktig. Matematikere kaller det en tunghale- eller maktlovfordeling, og den har betydelige trekk. Det mest overraskende er kanskje skalainvarians. Uansett hvor nøye du studerer et slikt plot, ser det alltid likt ut. Så variasjonene som oppstår på en skala ser nøyaktig like ut som variasjonene på en annen skala.
Bevegelsesmønstrene til nematodeormer kan nå overvåkes av maskinsynssystemer, en teknologi som revolusjonerer studiet av ormens oppførsel.
Dette mønsteret er annerledes for eldre mennesker med mer skjøre hjerter. Og det er ikke bare hjerterytmen som varierer på denne måten. Nevrale piggmønstre og menneskelige gangmønstre varierer også på samme måte med alderen. Og det antyder en ny måte å studere aldring ved å bedre forstå rollen som skalainvarians spiller i biologiske prosesser.
Det er imidlertid et problem. Mennesker er vanskelige å studere i denne forbindelse. Aldringsprosessen tar flere tiår, og mennesker er vanskelige å overvåke over disse tidsskalaene.
Så forskere ville elske å studere karakteren av skalainvarians i mindre komplekse organismer som er lettere å ta vare på. Men eksistensen av disse mønstrene i lavere livsformer har ennå ikke blitt etablert.
Gå inn i Luiz Alves ved Northwestern University i Illinois og noen få venner, som har funnet bevis på skalainvariante mønstre i oppførselen til nematodeormer. Dessuten sier disse gutta at mønstrene endres når ormene eldes, og at dette gir en kraftig ny måte å studere de biologiske prosessene og mekanismene bak aldring.
Først litt bakgrunn. Skalainvarians er forestillingen om at noen ting ser like ut uavhengig av skalaen de ses på.
Mange ting har denne egenskapen. En kystlinje er skalainvariant eller fraktal – den ser like forrevne ut enten den blir undersøkt i skalaen centimeter, meter eller kilometer. En uendelig rett linje er skalainvariant - det er ingen måte å vite hvor nær du er en slik linje bare ved å se på den.
Derimot er ikke rektangler, biler og galakser skalainvariante. Disse gjenstandene ser helt forskjellige ut avhengig av avstanden deres.
Skalainvarians er ikke bare begrenset til objekter. De siste årene har fysikere oppdaget mange fenomener som også er skalainvariante. For eksempel er skogbranner skalainvariante. Det er mange små skogbranner og noen få store skogbranner, men forholdet mellom størrelse og frekvens er skalainvariant.
Studer et plott av størrelsen på branner mot frekvensen deres, og det er ingen måte å skille mellom store og små - de følger alle det samme mønsteret. Og det innebærer at det er en viktig måte hvor skogbranner er like.
Fysikere tror denne likheten er grunnlagt i måten branner sprer seg gjennom nettverket av koblinger mellom trær. En brann kan bare spre seg når disse koblingene er på plass. Men nettverket er i stadig endring ettersom trær vokser og dør bort.
Og det betyr at det ikke er noen måte å vite hvor stor en brann vil bli når den starter – størrelsen avhenger av nettverkets natur på det øyeblikket.
Det har store implikasjoner for vår forståelse av årsak og virkning. Skogbranner kan startes av en bortkommen sigarett eller en uforsiktig kassert fyrstikk. Men deres eventuelle størrelse har ingenting med denne utløseren å gjøre. Det avhenger av nettverket. Faktisk er skalainvarians i komplekse fenomener nært knyttet til nettverksvitenskap.
Ta størrelsen på jordskjelv, som også er skalainvariant. Det relevante nettverket her er måten krefter overføres gjennom bergarter – det er dette som bestemmer skjelvets eventuelle størrelse.
Kriger er også skalainvariante (målt ved antall dødsfall). Her er det relevante nettverket måten sosial, militær og politisk påvirkning spres gjennom en region. Dette er i konstant endring av utallige årsaker. Det innebærer at alle som starter en krig i prinsippet ikke kan vite hvor stor den vil bli. Og den utløsende hendelsen er ikke viktigere for å bestemme det endelige antallet dødsfall enn størrelsen på fyrstikken som starter en skogbrann bestemmer hvor langt den sprer seg.
Men hva er det relevante nettverket som fører til skalainvarians i biologiske systemer? Ingen er helt sikre, og derfor kan evnen til å studere det i nematodeormer være så viktig.
De nye eksperimentene som viser skalainvarians er enkle. Alver og co begynner med standard nematodeorm, Caenorhabditis elegans , alle født på samme dag og dyrket under identiske forhold i laboratoriet.
Teamet brukte deretter et maskinsynssystem for å spore bevegelsen til 10 til 15 av disse ormene i et lukket rom ved 20 °C. De gjentok disse observasjonene ettersom ormene eldes over seks dager, og også ettersom temperaturen økte for å simulere stress.
C. elegans lever vanligvis rundt to til tre uker, så de seks dagene av eksperimentet tilsvarer å observere en menneskealder fra ungdomsårene til middelalderen. Våre sammenligninger er utført for den menneskelige ekvivalenten til en 15-åring og en 40-åring, sier Alves og co.
Resultatene gir interessant lesning. Nematodeormer beveger seg ikke i enkle, rette linjer, og de beveger seg heller ikke alle på samme måte, til tross for identisk oppvekst. I stedet beveger de seg, stopper så, går bakover, reiser lengre avstander, og så videre.
Dette mønsteret ligner på en tilfeldig tur, eller Levy-flukt, og er velkjent for dyreatferdsforskere. Den består av mange korte reiser og et mye mindre antall lengre traverser. Mange dyr følger dette mønsteret når de søker etter mat.
Det avgjørende er at lengden på reisen plottet mot frekvens er skalainvariant eller fraktal, akkurat som kystlinjer, størrelsen på skogbranner, kriger og menneskelig hjerterytmevariasjon.
Dessuten sier Alves og co at denne skalainvariansen endres på en målbar måte ettersom ormene blir eldre eller opplever mer stress. Disse endringene er et resultat av mange faktorer som egglegging, partnersøking, matsøk og så videre.
Men nøkkelen er at de endrer seg over tid eller med stress på målbare måter. Vi finner statistisk signifikante forskjeller i fraktaloppførselen til motiliteten til C. elegans for ulike aldre og stressnivåer, i likhet med det som er rapportert for menneskelig fysiologi, sier Alves og co. Resultatene våre tyder på at likheten med den menneskelige aldringsprosessen er dypere enn tidligere antatt.
Det er en interessant konklusjon som åpner veien for en ny angrepslinje i studiet av aldring. Vi tror at C. elegans kan brukes til å studere hvordan fraktal dynamikk skapes av de regulatoriske prosessene til fysiologiske systemer og gi innsikt i de grunnleggende prosessene som kreves for å opprettholde en sunn fysiologi til tross for aldring og stress, sier teamet.
C. elegans er unikt egnet for denne typen arbeid som en av de best studerte skapningene på jorden. Den har en enkel kroppsstruktur med 302 nevroner og et godt karakterisert genom på 100 megabaser. Til sammenligning har det menneskelige genomet rundt 3,6 gigabaser. Men merkelig nok er 40 prosent av nematodens gener homologer med menneskelige.
Det legger scenen for interessant forskning. Alves og co har satt seg et ambisiøst mål med et verdig mål. Vi ser frem til å følge fremdriften.
Ref: arxiv.org/abs/1705.03318 : Langdistansekorrelasjoner og fraktaldynamikk i C. Elegans: Endringer med aldring og stress