La fisiologia umana cambia con l’età come il comportamento dei vermi nematodi. Comprendere come mai potrebbe essere cruciale per la scienza dell’invecchiamento.
di Emerging Technology from the arXiv
È facile pensare che un giovane cuore sano debba battere con maggiore regolarità di un cuore vecchio, ma numerosi studi dimostrano che i cuori vecchi o malati hanno un battito cardiaco meno variabile, segno di buona salute. Si definisce variabilità il tempo intercorrente tra un battito e l’altro e si è osservato che i piccoli e grandi cambiamenti nella variabilità sono meno comuni tra individui malati.
I matematici definiscono questo tipo di distribuzione “heavy-tailed” o “power law”, tra le cui caratteristiche si distingue l’invarianza di scala.
Questo schema cambia negli anziani dal cuore fragile. Altri fattori si modificano in maniera simile.
I pattern nei picchi neurali e il passo umano cambiano nella stessa maniera. Nasce quindi l’idea di studiare l’invecchiamento andando ad approfondire il ruolo dell’invarianza di scala nei processi biologici. Il processo d’invecchiamento però, dura decenni negli esseri umani: difficile osservare dei soggetti con continuità.
Luiz Alves della Northwestern University, Illinois, ed alcuni colleghi, hanno provato che le variazioni nel comportamento dei vermi nematodi seguono, con lo scorrere del tempo, il modello dell’invarianza di scala. L’invarianza di scala descrive quel genere di oggetti che appaiono sempre uguali a sé stessi a prescindere dalla scala su cui li si osserva. Ne sono esempio le coste marine, che appaiono altrettanto frastagliate sia che le si osservi da vicino che da lontano. Una linea dritta infinita è un esempio di invarianza di scala: non c’è modo di sapere quanto di è vicini o lontani da una simile linea semplicemente guardandola. Rettangoli, auto e galassie non sono invarianti: ciascuno di questi oggetti presenta un aspetto completamente differente a seconda della distanza da cui lo si osserva.
Il concetto di invarianza di scala si applica anche a fenomeni come gli incendi nelle foreste. I fisici credono che l’invarianza di un incendio dipende dal fatto che la sua diffusione non sia determinata dalla causa scatenante dell’incendio quanto dalla rete di connessioni tra gli alberi. Un fuoco può solo propagarsi lungo questa rete; la misura dell’incendio dipenderà quindi dalla natura della rete al esistente in quel momento. L’invarianza di scala nei fenomeni complessi, infatti, è strettamente legata alla network science.
Cos’è così importante nelle reti da portare all’invarianza di scala nei sistemi biologici? Nessuno lo sa per certo, motivo per cui la possibilità di studiare l’argomento nei vermi nematodi sarebbe inestimabile.
Gli esperimenti con cui è stata dimostrata l’invarianza di scala nei nematodi sono molto chiari. Alves e colleghi sono partiti da vermi nematodi standard, i Caenorhabditis elegans, nati lo stesso giorno in identiche condizioni di laboratorio. La squadra ha quindi utilizzato un sistema di machine-vision per seguire i movimenti di 10 -15 di questi vermi in uno spazio chiuso a 20 °C. Le osservazioni sono state ripetute nel corso dei sei giorni d’invecchiamento dei vermi durante i quali la temperatura è stata aumentata per simulare stress.
I C. elegans usually vivono solitamtne dalle 2 alle 3 settimane. Osservarli per sei giorni è quindi equivalso a seguire un essere umano dall’adolescenza alla mezz’età, dai 15 ai 40 anni circa.
I nematodi non si muovono per linee rette, né tutti alla stessa maniera, nonostante pur cresciuti alle stesse condizioni. Si muovono, si fermano, arretrano, percorrono distanze maggiori, eccetera, secondo un modello di movimento casuale chiamato Levy flight, ben noto tra i comportamentisti animali.
Molti piccoli tragitti contro pochi lunghi tragitti, uno schema di comportamento spesso adottato nella ricerca di cibo. Soprattutto, il rapporto tra durata del tragitto e frequenza risulta caratterizzata da un’invarianza di scala quanto le coste marine, le dimensioni degli incendi nelle foreste, le guerre, i terremoti e la variazione nei battiti cardiaci umani.
Secondo Alves e colleghi, questa invarianza di scala si modifica, con il progressivo invecchiamento dei vermi, in maniera misurabile. I cambiamenti nell’invarianza sono determinati da fattori quali riproduzione, ricerca del partner, ricerca del cibo, ecc.
“Abbiamo scoperto differenze statisticamente rilevanti nel comportamento frattale della mobilità dei C. elegans a seconda dell’età, dei livelli di stress, come si osserva nel caso della fisiologia umana,” raccontano Alves &co. “I nostri risultati sembrano indicare che la similitudine al processo di invecchiamento umano sia più profonda di quanto finora preso in considerazione.”
“Siamo convinti che studiare i C. elegans possa portare ad una migliore comprensione di come le dinamiche frattali vengano create dai processi regolatori dei sistemi fisiologici per arrivare a delle conclusioni sui processi fondamentali necessari al mantenimento di una fisiologia sana nonostante stress ed invecchiamento,” conclude la squadra. I C. elegans sono tra le creature più studiate del pianeta e il 40 percento dei loro geni è omologo a quelli umani.
Immagine: Caenorhabditis elegans. Bob Goldstein, UNC Chapel Hill
(LO)
