年轻的奥秘在于复杂性:人体日渐衰老生理过程变简单

2018年09月10日 08:45 次阅读 稿源:新浪科技 条评论

随着我们日渐衰老,我们身体的许多生理过程变得越来越简单。“简单,简单,再简单!”亨利·大卫·梭罗(Henry David Thoreau)在1854年的回忆录《瓦尔登湖》中如此叮嘱道。在这本书中,他颂扬了“斯巴达式”生活的美德。欧洲中世纪神学家圣多玛斯·阿奎那(Saint Thomas Aquinas)劝诫称,简单使人更接近上帝。

健康的骨骼(左)从复杂的结缔组织结构中获得力量。当这些组织丧失复杂性时,骨质疏松症(右)就出现了。


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。

伊萨克·牛顿相信,简单能带来真理。我们被告知,简化过程可以照亮美丽,消除不必要的混乱和压力,并帮助我们专注于真正重要的事情。

简单还可能是衰老的标志。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。

衡量似分形结构复杂性的一种方法是计算其“分形维数”。分形表现出一种“幂率缩放”的属性:测量尺度越小,物体长度越大。从这种反比关系获得的分形维数,能告诉我们该物体填充了多少空间。空间越多,意味着越复杂。例如一棵树相对茂密(更复杂)的树枝结构就具有比更稀疏(更简单)树枝更高的分形维度。

复杂性的另一个常见度量称为“多尺度熵”,通常适用于过程,比如心率的逐搏变化,或身体在平衡站立姿势时的瞬间姿势变化。多尺度熵计算的是测量模式在不同时间尺度上重复的可能性。具有非常低重复可能性的图案(比如白噪音或随机性)并不是很复杂。在单个时间尺度上具有高重复可能性的模式(比如节拍器的正弦曲线)也同样不复杂。然而,在许多不同时间尺度上可能具有相似性的模式,更加类似分形,因而也更加复杂。

越来越多的研究表明,生物复杂性会随着衰老而降低,因为各种组织、器官以及它们的信息通路都在逐渐崩溃。随着年龄增长,我们的大脑、骨骼、肾脏和皮肤的似分形网络都会失去结构复杂性。这种丧失削弱了它们适应压力的能力,最终可能导致疾病或残疾。例如,当骨骼组织中的微观支柱变薄并断裂(就像骨质疏松症发生时那样)的时候,骨骼就会变脆,并且容易折断。同样的,大脑中神经连接的断开也与年龄相关的神经退行性疾病(如阿尔茨海默氏症和帕金森氏症)有关。

随着身体衰老,生理过程也会失去复杂性。以心率为例,虽然每分钟的平均心跳次数可以在人的一生中保持相对稳定,但随着年龄增长,心跳之间的微小时间变化会变得越来越规律(复杂性降低)。大量研究将这种变化与心脏病和死亡率联系起来:信号越简单,异常节律、心脏病发作和心力衰竭的可能性就越高。与此类似,老年人神经活动产生的电信号看起来也不像年轻时那么复杂。随着复杂性降低,运动控制和认知功能也会降低,包括步态、注意力和记忆力等。

好消息是,我们或许能够减缓,甚至扭转衰老带来的一些复杂性丧失。例如,有氧运动和抗阻力训练已被证明能增加心率的复杂性。中国的太极拳结合了身体运动、呼吸技巧和冥想,对姿势控制也有类似效果。当你站着不动时,你可能会注意到自己身体在轻微晃动,这是你的肌肉在进行微调,以保持身体平衡。我们可以在测力板上记录这些波动,从而计算出它们的复杂性。复杂性越低,意味着平衡性越差,脚步越慢,并且有摔倒的风险。但是,太极拳似乎能提供一剂解药:最近的一项研究中,研究人员发现,仅仅12周的太极拳训练就可以改善老年人(包括一些90多岁的人)姿势摇摆的复杂性。完成训练方案的受试者还提高了行走速度,从而更有可能避免摔倒。

研究人员还发现,通过对脚底施加非常微弱的随机振动,可以提高姿势控制的复杂性。目前尚不清楚这种干预是如何奏效的。一种可能是,这些无法察觉的振动会给感觉系统增加低水平的噪音,加强神经感受器的输入,从而降低它们的刺激阈值。这种现象称为随机共振,可能会提高神经细胞收集双脚位置和姿势信息并做出反应的能力,我们的身体也因此变得更复杂,从而更能适应姿势的调整。

在社交尺度上,维持一定的复杂性也能带来额外的好处。许多研究表明,拥有广泛且多样化的社交网络与更好的健康和福利有密切联系。与孤立的社交相比,与他人关系紧密的个体活得更久,抑郁程度更低,且更容易从心脏病发作、中风和其他急性疾病中康复。在日常生活中增加复杂性可能会产生深远的影响。例如,学习新的技能或解决心理难题,可以帮助改善认知功能,并可能有助于避免痴呆症。

因此,如果你梦想退休后到安静的海滩或树林里生活,像索罗所说的,“认真地生活,只面对生活的基本事实”,那么,现在或许应该考虑拥抱一个新的理念了,那就是:复杂,复杂,再复杂!

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