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随着身体日渐衰老,解剖学结构和生理学过程都会丧失复杂性

2018-09-12 11:46外星探索
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  简单是衰老的标志。年轻的健康和活力在许多方面取决于复杂性。骨骼通过复杂组装起来的结缔组织支架获得力量。敏锐的精神活动来源于相互关联的神经元网络。甚至看起来很简单的身体功能,比如心跳,都依赖于代谢控制、信号通路、基因开关和昼夜节律的相互作用网络。随着我们的身体日渐衰老,这些解剖学结构和生理学过程都会丧失复杂性,使它们的恢复力降低,最终导致虚弱和疾病。

  要理解这种丧失,我们必须首先在科学上定义什么是“复杂性”。想象一个鲁布·戈德堡机械(Rube Goldberg machine),这是一种设计得过度复杂的机械组合,一个环节接着一个环节,以线性的方式完成一些启示非常简单的工作,比如给人挠背,或者往人的嘴边递纸巾。这种过度设计的装置虽然看似非常复杂,但实际上原理很简单:规定的输入总是产生同样的输出。简单性使它的结果很容易预测,同时也使整个系统变得十分脆弱,因为链条中只要有一环出错,整个机械的功能就会被破坏。

  相比之下,复杂过程涉及到多个在不同时间和空间尺度上相互作用的组件。由于这些相互作用是非线性的,因此输出和输入不成比例,更加不稳定和难以预测。举例来说,思考一下抬起你的腿需要哪些条件。电力学、化学和力学组件必须在分子、细胞、器官和全身层面上不断协调。细胞内部的基因机器会产生蛋白质来驱动肌肉;胃和肠道会消化并代谢糖类,为身体提供能量;大脑中的运动中枢计划并指挥运动,而神经会将这些信号传递至肌肉纤维,并将你双脚位置的信息反馈给大脑。总体而言,这个过程不仅仅是各个部分的总和。

  我们可以借鉴混沌理论、非线性动力学和统计物理学领域的数学思想来量化生物系统的复杂性,其中之一便是分形的概念。分形是一种不规则的几何对象,其形状遵循一个基本模式:在多个测量尺度上看起来都有自相似的形式。云朵、海岸线、树木、河流、山脉和断层线都是类似分形结构的例子。无论是从飞机上还是在地面上,无论是用放大镜或显微镜观察,它们的外观都基本保持不变。

  在身体内部,动脉、神经元、骨骼和支气管都是以类似的方式组织起来的。而且,如果我们在时间而非空间上进行测量,就会发现生理信号(包括心跳和呼吸速率、血压、脑电波和荷尔蒙分泌等)也会出现瞬间波动的分形模式。与你可能预期的相反,这些波动并不遵循常规或周期性的模式,而是表现出一种复杂的变化类型,即所谓的“确定性混沌”。尽管振荡不规则,但它们在几秒钟、几分钟、几小时或几天的观察中看起来是自相似的。

 

▲分形是一种在不同尺度上自相似的形式。这是一种无限的复杂性——某种混沌

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