為什麼線蟲是研究衰老的關鍵模式生物

當談到心率時，我們很容易想到，一顆年輕的心臟會比老齡心臟的跳動更有規律。但事實並非如此，當前大量的研究表明，老齡的心臟更傾向於保持一個穩定的心率。

心率變化就是兩次心臟跳動的時間間隔變化，是衡量心臟健康和衰老的一個很好的指標。繪製心率—時間曲線，我們可以清楚地看到年輕和年老心臟的跳動模式。

一般說來，病人的心率更加穩定，而健康人的心跳頻率經常發生小的波動，在某些情況下甚至會發生較大的波動。

對一些心臟功能不全的老年人來說，他們的心臟跳動模式還有一些不同，不僅心率發生變化，而且神經脈衝的發放及步態也會隨著年齡的增長而發生變化。

我們身體的組織和器官是由大量細胞組成的，這些細胞一起協作幫助機體行使正常的功能。但是隨著年齡的增長，細胞會經歷了一個衰老的過程，衰老的細胞不再增殖，結構和機能的衰退，適應性和抵抗力減退，進而影響組織的功能。

延長壽命一直是人類的歷史夢想和願望，延長壽命的有效策略就是延緩衰老。但是，對人類進行衰老研究存在著一個弊端：因為人類衰老的過程大概持續幾十年，在這麼長的時間跨度里，現有的技術手段難以實現對個體的監控。

從1965年起，科學家們就開始利用線蟲作為生物學研究的模式生物。秀麗隱桿線蟲（Caenorhabditis elegans）是一種無毒無害、可以獨立生存的線蟲，其個體較小，成體僅1.5mm長，且雌雄同體。

在實驗室20℃的環境下，平均壽命是2-3周，其基因組很小，僅有8x107個鹼基，為人類基因組的3%；結構簡單，成蟲有959個體細胞，而且每一個體細胞的發育情況都研究的很清楚，體細胞的世系規律在個體之間是幾乎不變的；除此之外，秀麗隱桿線蟲的神經系統結構簡單，總共有302個神經元，其連接形式也已經被完全建立出來。

Alves選擇同一天出生且飼養於相同環境中的秀麗隱桿線蟲作為實驗對象，利用機器—視覺系統（machine-vision system）追蹤觀察10-15條線蟲在封閉的20℃環境下的運動模式。飼養6天後，該實驗團隊將飼養溫度升高至引起線蟲身體應激的溫度，重新記錄了線蟲的運動模式。

得益於機器—視覺系統（machine-vision system）的發展，記錄觀察線蟲的行為模式取得了革新性的進展。研究結果表明，隨著線蟲的衰老，它們的行為模式發生了相應的變化。

因為秀麗隱桿線蟲的壽命一般是2-3周，所以對線蟲地這兩個時間點的記錄相當於是記錄人類從青春期到老年的轉變過程。Alves表示，這相當於是分別觀察一個人在15歲和40歲時的行為模式。

這項研究的結果非常有趣，在相同的飼養條件下，研究人員發現線蟲既不進行簡單地直線運動，也不重複相同的運動路線，相反，它們先移動，然後停下來，然後再向後移動更遠的距離。

這種運動模式相當於隨機運動，或者說是處於一種Levy flight隨機遊走模式。動物行為學家對Levy flight隨機遊走模式非常地熟悉。Levy flight隨機遊走模式包括大量短距離的運動和少量長距離的運動。很多動物在尋覓食物的時候遵循的就是這種行為模式。

這種運動模式非常重要，數學家們稱之為「重尾（heavy-tailed）分布」或「冪律（power law）法則」，它最重要的特徵之一是尺度不變性，不管你多麼仔細地研究這運動模式，它們看起來幾乎都是一樣的，在一個尺度上發生的變化和另一個尺度上的變化幾乎完全一樣。

尺度的不變性也叫標度不變性，是指體系經過尺度變換後，其某一特性保持不變。自然界中的很多物體都具有這個特性，比如說海岸線的長度及形狀，從厘米，米和千米的尺度上來看，它看起來都是鋸齒狀並且長度恆定。對比之下，長方形、汽車和銀河系並不是尺度不變的，因為隨著觀察距離的改變，這些東西看起來會完全不一樣。

尺度不變性並不局限於實物，近年來物理學家也發現了很多尺度不變性的現象。如大大小小的森林火災，這些火災的規模和發生頻率就具有尺度不變性的特徵。繪製火災的規模與頻率的曲線，我們可以發現大火災和小火災都遵循相同的發生髮展模式。

物理學家認為，這種尺度不變性是因為森林樹木之間形成連接網路，火災是通過這個連接網路蔓傳播的。隨意丟棄的香煙頭或者火柴都可以引起森林火災，但火災規模的大小卻與這個最初的導火索無關，而是依賴於樹木之間的連接網路的大小，由於樹木存在著生長和枯萎的周期，所以樹木之間連接網路是處於動態變化的。

這也就意味著，只有當火災發生時，你才可能知道這場火災的規模大小，是火災發生時樹木之間連接網路的大小決定了這場火災的規模，這對我們理解因果關係有著重要的影響。

不同規模的地震，同樣遵循著尺度不變性的特徵，岩石之間力的傳遞構成連接網路，決定著地震最終的震級。

以死亡人數來衡量的戰爭同樣具有尺度不變性的特徵。社會、軍事和政治影響在一個地區傳播的方式組成作用網路。

由於種種原因，這個網路總是在不斷變化的，這也就是說，任何想要發動戰爭的人，在戰爭發生之前，並不能知道即將發生的戰爭的傷亡有多大。起初的觸發因素對後續的戰爭規模及死亡人數不具有任何決定性作用。

在繪製線蟲運動模式圖時，我們發現線蟲的運動模式同樣遵循著尺度不變性的特徵。但目前尚不能確定線蟲體內引起尺度不變性特徵的相關網路是什麼。

在繪製線蟲運動模式圖時，Alves等還發現隨著線蟲的逐漸變老或承受更多地生存壓力時，其運動模式有統計學上的差異，產卵、交配和尋覓食物等因素及其相互作用的結果都會引起運動模式的變化，這也表明了其尺度不變性的特徵會幫助科學家們預測的一些行為模式的變化。如果能夠研究清楚線蟲衰老過程中，發揮作用的連接網路，將對人類衰老的研究帶來重大的意義。

這一系列的研究結果促使Alves為自己設定了一個更加長遠的目標,他們將會繼續監測線蟲的衰老過程行為模式的變化，深入研究生理條件下的連接網路如何與行為模式相互作用，為衰老及其它科學問題提供新的研究視角。

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！