为什么线虫是研究衰老的关键模式生物
当谈到心率时，我们很容易想到，一颗年轻的心脏会比老龄心脏的跳动更有规律。但事实并非如此，当前大量的研究表明，老龄的心脏更倾向于保持一个稳定的心率。心率变化就是两次心脏跳动的时间间隔变化，是衡量心脏健康和衰老的一个很好的指标。绘制心率—时间曲线，我们可以清楚地看到年轻和年老心脏的跳动模式。一般说来，病人的心率更加稳定，而健康人的心跳频率经常发生小的波动，在某些情况下甚至会发生较大的波动。对一些心脏功能不全的老年人来说，他们的心脏跳动模式还有一些不同，不仅心率发生变化，而且神经脉冲的发放及步态也会随着年龄的增长而发生变化。我们身体的组织和器官是由大量细胞组成的，这些细胞一起协作帮助机体行使正常的功能。但是随着年龄的增长，细胞会经历了一个衰老的过程，衰老的细胞不再增殖，结构和机能的衰退，适应性和抵抗力减退，进而影响组织的功能。延长寿命一直是人类的历史梦想和愿望，延长寿命的有效策略就是延缓衰老。但是，对人类进行衰老研究存在着一个弊端：因为人类衰老的过程大概持续几十年，在这么长的时间跨度里，现有的技术手段难以实现对个体的监控。从1965年起，科学家们就开始利用线虫作为生物学研究的模式生物。秀丽隐杆线虫（Caenorhabditis elegans）是一种无毒无害、可以独立生存的线虫，其个体较小，成体仅1.5mm长，且雌雄同体。在实验室20℃的环境下，平均寿命是2-3周，其基因组很小，仅有8x107个碱基，为人类基因组的3%；结构简单，成虫有959个体细胞，而且每一个体细胞的发育情况都研究的很清楚，体细胞的世系规律在个体之间是几乎不变的；除此之外，秀丽隐杆线虫的神经系统结构简单，总共有302个神经元，其连接形式也已经被完全建立出来。Alves选择同一天出生且饲养于相同环境中的秀丽隐杆线虫作为实验对象，利用机器—视觉系统（machine-vision system）追踪观察10-15条线虫在封闭的20℃环境下的运动模式。饲养6天后，该实验团队将饲养温度升高至引起线虫身体应激的温度，重新记录了线虫的运动模式。得益于机器—视觉系统（machine-vision system）的发展，记录观察线虫的行为模式取得了革新性的进展。研究结果表明，随着线虫的衰老，它们的行为模式发生了相应的变化。因为秀丽隐杆线虫的寿命一般是2-3周，所以对线虫地这两个时间点的记录相当于是记录人类从青春期到老年的转变过程。Alves表示，这相当于是分别观察一个人在15岁和40岁时的行为模式。这项研究的结果非常有趣，在相同的饲养条件下，研究人员发现线虫既不进行简单地直线运动，也不重复相同的运动路线，相反，它们先移动，然后停下来，然后再向后移动更远的距离。这种运动模式相当于随机运动，或者说是处于一种Levy flight随机游走模式。动物行为学家对Levy flight随机游走模式非常地熟悉。Levy flight随机游走模式包括大量短距离的运动和少量长距离的运动。很多动物在寻觅食物的时候遵循的就是这种行为模式。http://p3.pstatp.com/large/213300019451c8c76416这种运动模式非常重要，数学家们称之为“重尾（heavy-tailed）分布”或“幂律（power law）法则”，它最重要的特征之一是尺度不变性，不管你多么仔细地研究这运动模式，它们看起来几乎都是一样的，在一个尺度上发生的变化和另一个尺度上的变化几乎完全一样。尺度的不变性也叫标度不变性，是指体系经过尺度变换后，其某一特性保持不变。自然界中的很多物体都具有这个特性，比如说海岸线的长度及形状，从厘米，米和千米的尺度上来看，它看起来都是锯齿状并且长度恒定。对比之下，长方形、汽车和银河系并不是尺度不变的，因为随着观察距离的改变，这些东西看起来会完全不一样。尺度不变性并不局限于实物，近年来物理学家也发现了很多尺度不变性的现象。如大大小小的森林火灾，这些火灾的规模和发生频率就具有尺度不变性的特征。绘制火灾的规模与频率的曲线，我们可以发现大火灾和小火灾都遵循相同的发生发展模式。物理学家认为，这种尺度不变性是因为森林树木之间形成连接网络，火灾是通过这个连接网络蔓传播的。随意丢弃的香烟头或者火柴都可以引起森林火灾，但火灾规模的大小却与这个最初的导火索无关，而是依赖于树木之间的连接网络的大小，由于树木存在着生长和枯萎的周期，所以树木之间连接网络是处于动态变化的。这也就意味着，只有当火灾发生时，你才可能知道这场火灾的规模大小，是火灾发生时树木之间连接网络的大小决定了这场火灾的规模，这对我们理解因果关系有着重要的影响。不同规模的地震，同样遵循着尺度不变性的特征，岩石之间力的传递构成连接网络，决定着地震最终的震级。以死亡人数来衡量的战争同样具有尺度不变性的特征。社会、军事和政治影响在一个地区传播的方式组成作用网络。由于种种原因，这个网络总是在不断变化的，这也就是说，任何想要发动战争的人，在战争发生之前，并不能知道即将发生的战争的伤亡有多大。起初的触发因素对后续的战争规模及死亡人数不具有任何决定性作用。在绘制线虫运动模式图时，我们发现线虫的运动模式同样遵循着尺度不变性的特征。但目前尚不能确定线虫体内引起尺度不变性特征的相关网络是什么。在绘制线虫运动模式图时，Alves等还发现随着线虫的逐渐变老或承受更多地生存压力时，其运动模式有统计学上的差异，产卵、交配和寻觅食物等因素及其相互作用的结果都会引起运动模式的变化，这也表明了其尺度不变性的特征会帮助科学家们预测的一些行为模式的变化。如果能够研究清楚线虫衰老过程中，发挥作用的连接网络，将对人类衰老的研究带来重大的意义。这一系列的研究结果促使Alves为自己设定了一个更加长远的目标,他们将会继续监测线虫的衰老过程行为模式的变化，深入研究生理条件下的连接网络如何与行为模式相互作用，为衰老及其它科学问题提供新的研究视角。
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