Perché i vermi nematodi potrebbero essere la chiave dell'invecchiamento

È facile pensare che un cuore giovane e sano dovrebbe battere più regolarmente di un cuore vecchio. Non così. Numerosi studi hanno dimostrato che la variabilità della frequenza cardiaca è un buon indicatore della salute cardiaca e che i cuori più anziani e malati tendono a mostrare meno variabilità, non di più.

La variabilità è nel tempo tra i battiti. Tracciare questo cambiamento nel tempo mostra uno schema chiaro. Nelle persone malate, il battito è più regolare. Ma nelle persone sane, i piccoli cambiamenti sono molto comuni e si verificano anche grandi cambiamenti, anche se meno frequenti.

Questo modello è importante. I matematici la chiamano distribuzione a coda pesante o legge di potenza e ha caratteristiche significative. Forse la cosa più sorprendente è l'invarianza di scala. Per quanto studi da vicino una trama del genere, sembra sempre la stessa. Quindi le variazioni che si verificano su una scala sembrano esattamente le stesse delle variazioni su un'altra scala.

I modelli di movimento dei vermi nematodi possono ora essere monitorati da sistemi di visione artificiale, una tecnologia che sta rivoluzionando lo studio del comportamento dei vermi.

Questo modello è diverso per le persone anziane con cuori più fragili. E non è solo il battito cardiaco a variare in questo modo. Anche i modelli di picchi neurali e i modelli di andatura umana variano allo stesso modo con l'età. E questo suggerisce un nuovo modo di studiare l'invecchiamento comprendendo meglio il ruolo che l'invarianza di scala gioca nei processi biologici.

C'è un problema, tuttavia. Gli esseri umani sono difficili da studiare in questo senso. Il processo di invecchiamento richiede decenni e gli esseri umani sono difficili da monitorare su queste scale temporali.

Quindi ai ricercatori piacerebbe molto studiare la natura dell'invarianza di scala in organismi meno complessi di cui è più facile prendersi cura. Ma l'esistenza di questi modelli nelle forme di vita inferiori deve ancora essere stabilita.

Entra Luiz Alves della Northwestern University nell'Illinois e alcuni amici, che hanno trovato prove di modelli invarianti di scala nel comportamento dei vermi nematodi. Inoltre, questi ragazzi affermano che i modelli cambiano con l'invecchiamento dei vermi e che questo fornisce un nuovo potente modo di studiare i processi biologici e i meccanismi alla base dell'invecchiamento.

Innanzitutto, un po' di background. L'invarianza di scala è l'idea che alcune cose sembrano uguali indipendentemente dalla scala in cui vengono visualizzate.

Molte cose hanno questa proprietà. Una costa è invariante di scala o frattale: sembra ugualmente frastagliata se esaminata alla scala di centimetri, metri o chilometri. Una linea retta infinita è invariante di scala: non c'è modo di sapere quanto sei vicino a una tale linea semplicemente guardandola.

Al contrario, rettangoli, automobili e galassie non sono invarianti di scala. Questi oggetti hanno un aspetto completamente diverso a seconda della loro distanza.

L'invarianza di scala non è limitata agli oggetti. Negli ultimi anni, i fisici hanno scoperto anche molti fenomeni che sono invarianti di scala. Ad esempio, gli incendi boschivi sono invarianti di scala. Ci sono molti piccoli incendi boschivi e pochi grandi incendi boschivi, ma la relazione tra dimensioni e frequenza è invariante di scala.

Studia un grafico delle dimensioni degli incendi rispetto alla loro frequenza e non c'è modo di distinguere tra quelli grandi e quelli piccoli: seguono tutti lo stesso schema. E ciò implica che esiste un modo importante in cui gli incendi boschivi sono tutti uguali.

I fisici ritengono che questa somiglianza sia fondata nel modo in cui gli incendi si diffondono attraverso la rete di collegamenti tra gli alberi. Un incendio può diffondersi solo quando questi collegamenti sono in atto. Ma la rete cambia costantemente mentre gli alberi crescono e muoiono.

E ciò significa che non c'è modo di sapere quanto grande diventerà un incendio quando si accenderà: le dimensioni dipendono dalla natura della rete in quell'istante.

Ciò ha grandi implicazioni per la nostra comprensione di causa ed effetto. Gli incendi boschivi possono essere appiccati da una sigaretta randagia o da un fiammifero scartato con noncuranza. Ma la loro eventuale dimensione non ha nulla a che fare con questo trigger. Dipende dalla rete. In effetti, l'invarianza di scala nei fenomeni complessi è intimamente legata alla scienza delle reti.

Prendi la dimensione dei terremoti, che è anche invariante di scala. La rete rilevante qui è il modo in cui le forze vengono trasmesse attraverso le rocce: questo è ciò che determina la dimensione finale del terremoto.

Anche le guerre sono invarianti di scala (misurata dal numero di morti). Qui, la rete rilevante è il modo in cui le influenze sociali, militari e politiche si diffondono in una regione. Questo è in continua evoluzione per una miriade di ragioni. Implica che chiunque inizi una guerra non può, in linea di principio, sapere quanto grande diventerà. E l'incidente scatenante non è più importante nel determinare l'eventuale numero di morti di quanto la dimensione del fiammifero che provoca un incendio boschivo determini fino a che punto si diffonde.

Ma qual è la rete rilevante che porta all'invarianza di scala nei sistemi biologici? Nessuno è abbastanza sicuro, motivo per cui la capacità di studiarlo nei vermi nematodi potrebbe essere così importante.

I nuovi esperimenti che dimostrano l'invarianza di scala sono semplici. Alves e co iniziano con i vermi nematodi standard, Caenorhabditis elegans , tutti nati lo stesso giorno e cresciuti in condizioni identiche in laboratorio.

Il team ha quindi utilizzato un sistema di visione artificiale per tracciare il movimento di 10-15 di questi vermi in uno spazio chiuso a 20 °C. Hanno ripetuto queste osservazioni mentre i vermi invecchiavano per sei giorni e anche quando la temperatura aumentava per simulare lo stress.

C. elegans di solito vivono circa due o tre settimane, quindi i sei giorni dell'esperimento equivalgono all'osservazione di un'età umana dall'adolescenza alla mezza età. I nostri confronti sono eseguiti per l'equivalente umano di un 15enne e un 40enne, dicono Alves e co.

I risultati costituiscono una lettura interessante. I vermi nematodi non si muovono in semplici linee rette e nemmeno tutti si muovono allo stesso modo, nonostante il loro identico allevamento. Invece, si muovono, poi si fermano, poi tornano indietro, percorrono distanze maggiori e così via.

Questo modello è simile a una passeggiata casuale, o volo di Levy, ed è ben noto ai comportamentisti degli animali. Consiste in molti viaggi brevi e un numero molto minore di traversate più lunghe. Molti animali seguono questo schema quando cercano cibo.

Fondamentalmente, la durata del viaggio tracciata rispetto alla frequenza è invariante di scala o frattale, proprio come le coste, le dimensioni degli incendi boschivi, le guerre e la variazione del battito cardiaco umano.

Inoltre, Alves e colleghi affermano che questa invarianza di scala cambia in modo misurabile man mano che i vermi invecchiano o sperimentano più stress. Questi cambiamenti sono il risultato di molti fattori come la deposizione delle uova, la ricerca del compagno, la ricerca di cibo e così via.

Ma la cosa fondamentale è che cambiano nel tempo o con lo stress in modi misurabili. Troviamo differenze statisticamente significative nel comportamento frattale della motilità di C. elegans per età e livelli di stress diversi, analogamente a quanto riportato per la fisiologia umana, affermano Alves e co. I nostri risultati suggeriscono che la somiglianza con il processo di invecchiamento umano è più profonda di quanto si pensasse.

Questa è una conclusione interessante che apre la strada a una nuova linea di attacco nello studio dell'invecchiamento. crediamo che C. elegans può essere utilizzato per studiare come le dinamiche frattali sono create dai processi regolatori dei sistemi fisiologici e fornire informazioni sui processi fondamentali necessari per mantenere una fisiologia sana nonostante l'invecchiamento e lo stress, afferma il team.

C. elegans è particolarmente adatto a questo tipo di lavoro come una delle creature meglio studiate sulla Terra. Ha una struttura corporea semplice con 302 neuroni e un genoma ben caratterizzato di 100 megabasi. In confronto, il genoma umano ha circa 3,6 gigabasi. Ma curiosamente, il 40 percento dei geni dei nematodi sono omologhi di quelli umani.

Ciò pone le basi per alcune ricerche interessanti. Alves e co si sono posti un obiettivo ambizioso con un obiettivo degno. Non vediamo l'ora di monitorare i progressi.

Rif: arxiv.org/abs/1705.03318 : Correlazioni a lungo raggio e dinamica frattale in C. Elegans: Cambiamenti con l'invecchiamento e lo stress

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