Kāpēc nematodes tārpi var būt novecošanās atslēga?

Ir viegli domāt, ka veselīgai jaunai sirdij vajadzētu pukstēt regulārāk nekā vecai sirdij. Ne tā. Daudzi pētījumi ir parādījuši, ka sirdsdarbības ātruma mainīgums ir labs sirds veselības rādītājs, un vecākām, slimākām sirdīm ir tendence mazāk mainīt, nevis vairāk.

Mainība ir laikā starp sitieniem. Šo izmaiņu attēlošana laika gaitā parāda skaidru modeli. Slimiem cilvēkiem sitiens ir regulārāks. Bet veseliem cilvēkiem nelielas izmaiņas ir ļoti izplatītas un notiek arī lielas izmaiņas, lai gan retāk.

Šis modelis ir svarīgs. Matemātiķi to sauc par smago asti vai jaudas likumu sadalījumu, un tam ir nozīmīgas iezīmes. Varbūt visbrīnišķīgākā ir mēroga nemainība. Lai cik rūpīgi tu pētītu šādu sižetu, tas vienmēr izskatās vienādi. Tātad variācijas, kas rodas vienā mērogā, izskatās tieši tādas pašas kā variācijas citā mērogā.

Nematožu tārpu kustības modeļus tagad var uzraudzīt ar mašīnredzes sistēmām, kas ir tehnoloģija, kas maina tārpu uzvedības izpēti.

Šis modelis ir atšķirīgs vecākiem cilvēkiem ar trauslāku sirdi. Un šādā veidā mainās ne tikai sirdsdarbība. Neironu smailes un cilvēka gaitas modeļi arī atšķiras atkarībā no vecuma. Un tas liecina par jaunu veidu, kā pētīt novecošanos, labāk izprotot mēroga nemainības lomu bioloģiskajos procesos.

Tomēr pastāv problēma. Cilvēkus šajā ziņā ir grūti pētīt. Novecošanās process ilgst gadu desmitus, un cilvēkus šajā laika posmā ir grūti uzraudzīt.

Tāpēc pētnieki ļoti vēlētos izpētīt mēroga invarianci mazāk sarežģītos organismos, par kuriem ir vieglāk rūpēties. Bet šo modeļu esamība zemākajās dzīvības formās vēl ir jānosaka.

Ienāciet Luizs Alvess no Ilinoisas Ziemeļrietumu universitātes un daži draugi, kuri ir atraduši pierādījumus par nematožu tārpu uzvedības mēroga nemainīgiem modeļiem. Turklāt šie puiši saka, ka modeļi mainās, tārpiem novecojot, un tas nodrošina spēcīgu jaunu veidu, kā pētīt bioloģiskos procesus un mehānismus, kas izraisa novecošanos.

Pirmkārt, nedaudz fona. Mēroga nemainība ir priekšstats, ka dažas lietas izskatās vienādi neatkarīgi no mēroga, kādā tās tiek skatītas.

Daudzām lietām ir šis īpašums. Piekrastes līnija ir mēroga invarianta vai fraktāla — tā izskatās vienlīdz robaina neatkarīgi no tā, vai to aplūko centimetru, metru vai kilometru skalā. Bezgalīga taisna ir skalas nemainīga — nav iespējams uzzināt, cik tuvu jūs esat šādai līnijai, vienkārši uz to paskatoties.

Turpretim taisnstūri, automašīnas un galaktikas nav mēroga nemainīgas. Šie objekti izskatās pilnīgi atšķirīgi atkarībā no attāluma.

Mēroga nemainība neaprobežojas tikai ar objektiem. Pēdējos gados fiziķi ir atklājuši daudzas parādības, kas ir arī mēroga nemainīgas. Piemēram, meža ugunsgrēki ir mēroga nemainīgi. Ir daudz mazu meža ugunsgrēku un daži lieli meža ugunsgrēki, taču saistība starp lielumu un biežumu ir mēroga nemainīga.

Izpētiet ugunsgrēku lieluma diagrammu un to biežumu, un nav iespējas atšķirt lielus un mazus — tie visi seko vienam un tam pašam modelim. Un tas nozīmē, ka ir svarīgs veids, kā mežu ugunsgrēki ir vienādi.

Fiziķi domā, ka šī līdzība ir balstīta uz to, kā ugunsgrēki izplatās caur koku saišu tīklu. Uguns var izplatīties tikai tad, ja ir izveidotas šīs saites. Taču tīkls pastāvīgi mainās, jo koki aug un mirst.

Un tas nozīmē, ka nav iespējams zināt, cik liels ugunsgrēks kļūs, kad tas sāksies — lielums ir atkarīgs no tīkla veida tajā brīdī.

Tam ir liela ietekme uz mūsu izpratni par cēloņiem un sekām. Meža ugunsgrēkus var izraisīt nomaldījusies cigarete vai nevērīgi izmests sērkociņš. Bet to iespējamajam izmēram nav nekā kopīga ar šo aktivizētāju. Tas ir atkarīgs no tīkla. Patiešām, mēroga nemainība sarežģītā parādībā ir cieši saistīta ar tīkla zinātni.

Ņemiet vērā zemestrīču lielumu, kas arī ir mēroga nemainīgs. Attiecīgais tīkls šeit ir veids, kā spēki tiek pārnesti caur akmeņiem — tas nosaka iespējamo zemestrīces lielumu.

Kari ir arī mēroga invarianti (ko mēra pēc nāves gadījumu skaita). Šeit attiecīgais tīkls ir veids, kādā reģionā izplatās sociālā, militārā un politiskā ietekme. Tas pastāvīgi mainās neskaitāmu iemeslu dēļ. Tas nozīmē, ka ikviens, kurš sāk karu, principā nevar zināt, cik liels tas kļūs. Un izraisošais incidents, nosakot iespējamo nāves gadījumu skaitu, nav svarīgāks par meža ugunsgrēka izcelšanās sērkociņa lielumu, kas nosaka, cik tālu tas izplatās.

Bet kāds ir attiecīgais tīkls, kas noved pie mēroga nemainības bioloģiskajās sistēmās? Neviens nav īsti pārliecināts, tāpēc spēja to pētīt nematožu tārpiem varētu būt tik svarīga.

Jaunie eksperimenti, kas parāda mēroga nemainību, ir vienkārši. Alves un citi sākas ar standarta nematodes tārpiem, Caenorhabditis elegans , visi dzimuši vienā dienā un audzēti identiskos apstākļos laboratorijā.

Pēc tam komanda izmantoja mašīnredzes sistēmu, lai izsekotu 10 līdz 15 šo tārpu kustībai slēgtā telpā 20 °C temperatūrā. Viņi atkārtoja šos novērojumus, jo tārpi novecoja vairāk nekā sešas dienas, kā arī temperatūra paaugstinājās, lai simulētu stresu.

C. elegans parasti dzīvo apmēram divas līdz trīs nedēļas, tāpēc sešas eksperimenta dienas ir līdzvērtīgas cilvēka vecuma novērošanai no pusaudža vecuma līdz pusmūžam. Mūsu salīdzinājumi ir veikti ar cilvēka ekvivalentu 15 gadus vecam un 40 gadus vecam cilvēkam, saka Alvess un citi.

Rezultāti rada interesantu lasīšanu. Nematodes tārpi nepārvietojas vienkāršās taisnās līnijās, un arī tie visi nepārvietojas vienādi, neskatoties uz to identisko audzēšanu. Tā vietā viņi pārvietojas, tad apstājas, tad dodas atpakaļ, ceļo garākus attālumus utt.

Šis modelis ir līdzīgs nejaušai pastaigai vai Levy lidojumam, un tas ir labi zināms dzīvnieku uzvedības speciālistiem. Tas sastāv no daudziem īsiem braucieniem un daudz mazāka skaita garāku braucienu. Daudzi dzīvnieki ievēro šo modeli, meklējot barību.

Būtiski, ka brauciena garums, kas attēlots pret frekvenci, ir skalas invariants vai fraktāls, tāpat kā piekrastes līnijas, mežu ugunsgrēku, karu un cilvēku sirdsdarbības svārstības.

Turklāt Alvess un kolēģi saka, ka šī mēroga nemainība mainās izmērāmā veidā, jo tārpi kļūst vecāki vai izjūt lielāku stresu. Šīs izmaiņas ir daudzu faktoru rezultāts, piemēram, olu dēšana, dzīvesbiedra meklēšana, barības meklēšana un tā tālāk.

Bet galvenais ir tas, ka tie mainās laika gaitā vai ar stresu izmērāmos veidos. Mēs atklājam statistiski nozīmīgas atšķirības kustīguma fraktāļu uzvedībā C. elegans dažādiem vecumiem un stresa līmeņiem, līdzīgi kā ziņots par cilvēka fizioloģiju, saka Alvess un citi. Mūsu rezultāti liecina, ka līdzība ar cilvēka novecošanas procesu ir dziļāka, nekā tika uzskatīts iepriekš.

Tas ir interesants secinājums, kas paver ceļu jaunai uzbrukuma līnijai novecošanas pētījumos. Mēs tam ticam C. elegans var izmantot, lai izpētītu, kā fraktāļu dinamiku rada fizioloģisko sistēmu regulējošie procesi, un sniegtu ieskatu pamatprocesos, kas nepieciešami, lai saglabātu veselīgu fizioloģiju, neskatoties uz novecošanos un stresu, saka komanda.

C. elegans ir unikāli piemērots šāda veida darbam kā viena no vislabāk pētītajām radībām uz Zemes. Tam ir vienkārša ķermeņa struktūra ar 302 neironiem un labi raksturots 100 megabāzu genoms. Salīdzinājumam, cilvēka genomam ir aptuveni 3,6 gigabāzes. Bet dīvainā kārtā 40 procenti nematodes gēnu ir homologi ar cilvēka gēnu.

Tas rada priekšu dažiem interesantiem pētījumiem. Alvess un co ir izvirzījuši sev ambiciozu mērķi ar cienīgu mērķi. Ar nepacietību gaidīsim progresa uzraudzību.

Atsauce: arxiv.org/abs/1705.03318 : Ilgtermiņa korelācijas un fraktāļu dinamika grāmatā C. Elegans: Izmaiņas ar novecošanu un stresu

paslēpties