Warum Nematodenwürmer der Schlüssel zum Altern sein könnten

Es ist leicht zu glauben, dass ein gesundes junges Herz regelmäßiger schlagen sollte als ein altes Herz. Nicht so. Zahlreiche Studien haben gezeigt, dass die Variabilität der Herzfrequenz ein guter Indikator für die Herzgesundheit ist und ältere, kränkere Herzen tendenziell weniger Variabilität zeigen, nicht mehr.

Die Variabilität liegt in der Zeit zwischen den Schlägen. Die Darstellung dieser Veränderung über die Zeit zeigt ein klares Muster. Bei kranken Menschen ist der Schlag regelmäßiger. Aber bei gesunden Menschen sind kleine Veränderungen sehr häufig und große Veränderungen treten auch auf, wenn auch seltener.

Dieses Muster ist wichtig. Mathematiker nennen es eine Heavy-Tailed- oder Power-Law-Verteilung, und es hat signifikante Merkmale. Am überraschendsten ist vielleicht die Skaleninvarianz. So genau man solch eine Handlung auch studiert, sie sieht immer gleich aus. Die Variationen, die auf einer Skala auftreten, sehen also genauso aus wie die Variationen auf einer anderen Skala.



Die Bewegungsmuster von Nematodenwürmern können jetzt durch maschinelle Bildverarbeitungssysteme überwacht werden, eine Technologie, die das Studium des Wurmverhaltens revolutioniert.

Dieses Muster ist bei älteren Menschen mit zerbrechlicheren Herzen anders. Und nicht nur der Herzschlag variiert auf diese Weise. Auch neuronale Spiking-Muster und menschliche Gangmuster variieren in gleicher Weise mit dem Alter. Und das deutet auf einen neuen Weg hin, das Altern zu untersuchen, indem man die Rolle besser versteht, die Skaleninvarianz in biologischen Prozessen spielt.

Es gibt jedoch ein Problem. Menschen sind in dieser Hinsicht schwer zu studieren. Der Alterungsprozess dauert Jahrzehnte, und der Mensch ist über diese Zeitskalen schwer zu überwachen.

Daher würden Forscher sehr gerne die Natur der Skaleninvarianz in weniger komplexen Organismen untersuchen, die einfacher zu pflegen sind. Aber die Existenz dieser Muster in niederen Lebensformen muss noch nachgewiesen werden.

Da sind Luiz Alves von der Northwestern University in Illinois und ein paar Freunde, die Beweise für skaleninvariante Muster im Verhalten von Nematodenwürmern gefunden haben. Darüber hinaus sagen diese Leute, dass sich die Muster mit zunehmendem Alter der Würmer ändern und dass dies eine leistungsstarke neue Möglichkeit bietet, die biologischen Prozesse und Mechanismen hinter dem Altern zu untersuchen.

Zunächst etwas Hintergrund. Skaleninvarianz ist die Vorstellung, dass manche Dinge unabhängig von der Skala, in der sie betrachtet werden, gleich aussehen.

Viele Dinge haben diese Eigenschaft. Eine Küstenlinie ist maßstabsinvariant oder fraktal – sie sieht gleichermaßen zerklüftet aus, ob im Maßstab von Zentimetern, Metern oder Kilometern. Eine unendliche gerade Linie ist maßstabsinvariant – es gibt keine Möglichkeit zu wissen, wie nahe Sie einer solchen Linie sind, indem Sie sie einfach betrachten.

Im Gegensatz dazu sind Rechtecke, Autos und Galaxien nicht maßstabsinvariant. Je nach Entfernung sehen diese Objekte ganz anders aus.

Skaleninvarianz ist nicht nur auf Objekte beschränkt. In den letzten Jahren haben Physiker viele Phänomene entdeckt, die auch skaleninvariant sind. Beispielsweise sind Waldbrände skaleninvariant. Es gibt viele kleine Waldbrände und einige große Waldbrände, aber die Beziehung zwischen Größe und Häufigkeit ist skaleninvariant.

Untersuchen Sie ein Diagramm der Größe von Bränden im Vergleich zu ihrer Häufigkeit, und es gibt keine Möglichkeit, zwischen großen und kleinen zu unterscheiden – sie folgen alle demselben Muster. Und das impliziert, dass es einen wichtigen Aspekt gibt, in dem Waldbrände alle gleich sind.

Physiker glauben, dass diese Ähnlichkeit in der Art und Weise begründet ist, wie sich Brände durch das Netzwerk von Verbindungen zwischen Bäumen ausbreiten. Nur wenn diese Verbindungen vorhanden sind, kann sich ein Feuer ausbreiten. Aber das Netzwerk ändert sich ständig, wenn Bäume wachsen und absterben.

Und das bedeutet, dass man nicht wissen kann, wie groß ein Feuer wird, wenn es ausbricht – die Größe hängt von der Art des Netzwerks zu diesem Zeitpunkt ab.

Das hat große Auswirkungen auf unser Verständnis von Ursache und Wirkung. Waldbrände können durch eine verirrte Zigarette oder ein achtlos weggeworfenes Streichholz ausgelöst werden. Aber ihre letztendliche Größe hat nichts mit diesem Auslöser zu tun. Das hängt vom Netz ab. Tatsächlich ist Skaleninvarianz bei komplexen Phänomenen eng mit der Netzwerkwissenschaft verbunden.

Nehmen Sie die Größe von Erdbeben, die ebenfalls skaleninvariant ist. Das relevante Netzwerk ist hier die Art und Weise, wie Kräfte durch Gestein übertragen werden – dies bestimmt die letztendliche Größe des Bebens.

Kriege sind auch skaleninvariant (gemessen an der Zahl der Todesfälle). Das relevante Netzwerk ist hier die Ausbreitung sozialer, militärischer und politischer Einflüsse in einer Region. Dies ändert sich aus unzähligen Gründen ständig. Es impliziert, dass jeder, der einen Krieg beginnt, im Prinzip nicht wissen kann, wie groß er werden wird. Und der auslösende Vorfall ist für die Bestimmung der letztendlichen Zahl der Todesfälle nicht wichtiger als die Größe des Streichholzes, das einen Waldbrand auslöst, darüber entscheidet, wie weit er sich ausbreitet.

Aber was ist das relevante Netzwerk, das zu Skaleninvarianz in biologischen Systemen führt? Niemand ist sich ganz sicher, weshalb die Fähigkeit, es in Nematodenwürmern zu untersuchen, so wichtig sein könnte.

Die neuen Experimente, die Skaleninvarianz zeigen, sind unkompliziert. Alves und Co beginnen mit Standard-Nematodenwürmern, Caenorhabditis elegans , alle am selben Tag geboren und unter identischen Bedingungen im Labor gezüchtet.

Das Team verwendete dann ein Bildverarbeitungssystem, um die Bewegung von 10 bis 15 dieser Würmer in einem geschlossenen Raum bei 20 °C zu verfolgen. Sie wiederholten diese Beobachtungen, als die Würmer über sechs Tage alterten und auch als die Temperatur anstieg, um Stress zu simulieren.

C. elegans leben normalerweise etwa zwei bis drei Wochen, sodass die sechs Tage des Experiments der Beobachtung eines menschlichen Alters von der Pubertät bis zum mittleren Alter entsprechen. Unsere Vergleiche werden für das menschliche Äquivalent eines 15-Jährigen und eines 40-Jährigen durchgeführt, sagen Alves und Co.

Die Ergebnisse sorgen für eine interessante Lektüre. Nematodenwürmer bewegen sich nicht in einfachen geraden Linien und sie bewegen sich trotz identischer Aufzucht auch nicht alle auf die gleiche Weise. Stattdessen bewegen sie sich, halten dann an, gehen dann rückwärts, legen längere Strecken zurück und so weiter.

Dieses Muster ähnelt einem Random Walk oder Levy-Flug und ist Tierverhaltensforschern wohlbekannt. Es besteht aus vielen kurzen Fahrten und einer viel geringeren Anzahl längerer Traversen. Viele Tiere folgen diesem Muster bei der Nahrungssuche.

Entscheidend ist, dass die Länge der Reise, die gegen die Häufigkeit aufgetragen ist, skaleninvariant oder fraktal ist, genau wie Küstenlinien, die Größe von Waldbränden, Kriegen und Variationen des menschlichen Herzschlags.

Darüber hinaus sagen Alves und Co., dass sich diese Skaleninvarianz messbar ändert, wenn die Würmer älter werden oder mehr Stress erfahren. Diese Veränderungen sind das Ergebnis vieler Faktoren wie Eiablage, Partnersuche, Nahrungssuche und so weiter.

Aber das Wichtigste ist, dass sie sich im Laufe der Zeit oder mit Stress auf messbare Weise ändern. Wir finden statistisch signifikante Unterschiede im fraktalen Verhalten der Motilität von C. elegans für verschiedene Altersgruppen und Stressniveaus, ähnlich wie es für die menschliche Physiologie berichtet wurde, sagen Alves und Co. Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Ähnlichkeit mit dem menschlichen Alterungsprozess tiefer ist als bisher angenommen.

Das ist eine interessante Schlussfolgerung, die den Weg zu einer neuen Angriffslinie in der Erforschung des Alterns ebnet. wir glauben das C. elegans kann verwendet werden, um zu untersuchen, wie fraktale Dynamik durch die regulatorischen Prozesse physiologischer Systeme erzeugt wird, und Einblicke in die grundlegenden Prozesse zu liefern, die erforderlich sind, um trotz Alterung und Stress eine gesunde Physiologie aufrechtzuerhalten, sagt das Team.

C. elegans ist als eine der am besten untersuchten Kreaturen der Erde für diese Art von Arbeit einzigartig geeignet. Es hat eine einfache Körperstruktur mit 302 Neuronen und einem gut charakterisierten Genom von 100 Megabasen. Zum Vergleich: Das menschliche Genom hat etwa 3,6 Gigabasen. Aber merkwürdigerweise sind 40 Prozent der Nematodengene Homologe mit menschlichen Genen.

Das bereitet den Rahmen für einige interessante Forschungen. Alves und Co. haben sich ein ehrgeiziges Ziel mit einem würdigen Ziel gesetzt. Wir freuen uns darauf, den Fortschritt zu beobachten.

Ref: arxiv.org/abs/1705.03318 : Langfristige Korrelationen und fraktale Dynamik in C. Elegans: Veränderungen mit Alterung und Stress

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