年輕的奧秘在於複雜性:人體日漸衰老生理過程變簡單

　　2018年09月10日 08:30 新浪科技


　　

　　健康的骨骼（左）從複雜的結締組織結構中獲得力量。當這些組織喪失複雜性時，骨質疏鬆症（右）就出現了。

　　

　　分形是一種在不同尺度上自相似的形式。這是一種無限的複雜性——某種混沌。

　　新浪科技訊 北京時間9月10日消息，據國外媒體報道，隨著我們日漸衰老，我們身體的許多生理過程變得越來越簡單。

　　「簡單，簡單，再簡單！」亨利·大衛·梭羅（Henry David Thoreau）在1854年的回憶錄《瓦爾登湖》中如此叮囑道。在這本書中，他頌揚了「斯巴達式」生活的美德。歐洲中世紀神學家聖多瑪斯·阿奎那（Saint Thomas Aquinas）勸誡稱，簡單使人更接近上帝。伊薩克·牛頓相信，簡單能帶來真理。我們被告知，簡化過程可以照亮美麗，消除不必要的混亂和壓力，並幫助我們專註於真正重要的事情。

　　簡單還可能是衰老的標誌。年輕的健康和活力在許多方面取決於複雜性。骨骼通過複雜組裝起來的結締組織支架獲得力量。敏銳的精神活動來源於相互關聯的神經元網路。甚至看起來很簡單的身體功能，比如心跳，都依賴於代謝控制、信號通路、基因開關和晝夜節律的相互作用網路。隨著我們的身體日漸衰老，這些解剖學結構和生理學過程都會喪失複雜性，使它們的恢復力降低，最終導致虛弱和疾病。

　　要理解這種喪失，我們必須首先在科學上定義什麼是「複雜性」。想象一個魯布·戈德堡機械（Rube Goldberg machine），這是一種設計得過度複雜的機械組合，一個環節接著一個環節，以線性的方式完成一些啟示非常簡單的工作，比如給人撓背，或者往人的嘴邊遞紙巾。這種過度設計的裝置雖然看似非常複雜，但實際上原理很簡單：規定的輸入總是產生同樣的輸出。簡單性使它的結果很容易預測，同時也使整個系統變得十分脆弱，因為鏈條中只要有一環出錯，整個機械的功能就會被破壞。

　　相比之下，複雜過程涉及到多個在不同時間和空間尺度上相互作用的組件。由於這些相互作用是非線性的，因此輸出和輸入不成比例，更加不穩定和難以預測。舉例來說，思考一下抬起你的腿需要哪些條件。電力學、化學和力學組件必須在分子、細胞、器官和全身層面上不斷協調。細胞內部的基因機器會產生蛋白質來驅動肌肉；胃和腸道會消化並代謝糖類，為身體提供能量；大腦中的運動中樞計劃並指揮運動，而神經會將這些信號傳遞至肌肉纖維，並將你雙腳位置的信息反饋給大腦。總體而言，這個過程不僅僅是各個部分的總和。

　　我們可以借鑒混沌理論、非線性動力學和統計物理學領域的數學思想來量化生物系統的複雜性，其中之一便是分形的概念。分形是一種不規則的幾何對象，其形狀遵循一個基本模式：在多個測量尺度上看起來都有自相似的形式。雲朵、海岸線、樹木、河流、山脈和斷層線都是類似分形結構的例子。無論是從飛機上還是在地面上，無論是用放大鏡或顯微鏡觀察，它們的外觀都基本保持不變。

　　在身體內部，動脈、神經元、骨骼和支氣管都是以類似的方式組織起來的。而且，如果我們在時間而非空間上進行測量，就會發現生理信號（包括心跳和呼吸速率、血壓、腦電波和荷爾蒙分泌等）也會出現瞬間波動的分形模式。與你可能預期的相反，這些波動並不遵循常規或周期性的模式，而是表現出一種複雜的變化類型，即所謂的「確定性混沌」。儘管振蕩不規則，但它們在幾秒鐘、幾分鐘、幾小時或幾天的觀察中看起來是自相似的。

　　衡量似分形結構複雜性的一種方法是計算其「分形維數」。分形表現出一種「冪率縮放」的屬性：測量尺度越小，物體長度越大。從這種反比關係獲得的分形維數，能告訴我們該物體填充了多少空間。空間越多，意味著越複雜。例如一棵樹相對茂密（更複雜）的樹枝結構就具有比更稀疏（更簡單）樹枝更高的分形維度。

　　複雜性的另一個常見度量稱為「多尺度熵」，通常適用於過程，比如心率的逐搏變化，或身體在平衡站立姿勢時的瞬間姿勢變化。多尺度熵計算的是測量模式在不同時間尺度上重複的可能性。具有非常低重複可能性的圖案（比如白噪音或隨機性）並不是很複雜。在單個時間尺度上具有高重複可能性的模式（比如節拍器的正弦曲線）也同樣不複雜。然而，在許多不同時間尺度上可能具有相似性的模式，更加類似分形，因而也更加複雜。

　　越來越多的研究表明，生物複雜性會隨著衰老而降低，因為各種組織、器官以及它們的信息通路都在逐漸崩潰。隨著年齡增長，我們的大腦、骨骼、腎臟和皮膚的似分形網路都會失去結構複雜性。這種喪失削弱了它們適應壓力的能力，最終可能導致疾病或殘疾。例如，當骨骼組織中的微觀支柱變薄並斷裂（就像骨質疏鬆症發生時那樣）的時候，骨骼就會變脆，並且容易折斷。同樣的，大腦中神經連接的斷開也與年齡相關的神經退行性疾病（如阿爾茨海默氏症和帕金森氏症）有關。

　　隨著身體衰老，生理過程也會失去複雜性。以心率為例，雖然每分鐘的平均心跳次數可以在人的一生中保持相對穩定，但隨著年齡增長，心跳之間的微小時間變化會變得越來越規律（複雜性降低）。大量研究將這種變化與心臟病和死亡率聯繫起來：信號越簡單，異常節律、心臟病發作和心力衰竭的可能性就越高。與此類似，老年人神經活動產生的電信號看起來也不像年輕時那麼複雜。隨著複雜性降低，運動控制和認知功能也會降低，包括步態、注意力和記憶力等。

　　

好消息是，我們或許能夠減緩，甚至扭轉衰老帶來的一些複雜性喪失。例如，有氧運動和抗阻力訓練已被證明能增加心率的複雜性。中國的太極拳結合了身體運動、呼吸技巧和冥想，對姿勢控制也有類似效果。當你站著不動時，你可能會注意到自己身體在輕微晃動，這是你的肌肉在進行微調，以保持身體平衡。我們可以在測力板上記錄這些波動，從而計算出它們的複雜性。複雜性越低，意味著平衡性越差，腳步越慢，並且有摔倒的風險。但是，太極拳似乎能提供一劑解藥：最近的一項研究中，研究人員發現，僅僅12周的太極拳訓練就可以改善老年人（包括一些90多歲的人）姿勢搖擺的複雜性。完成訓練方案的受試者還提高了行走速度，從而更有可能避免摔倒。

　　研究人員還發現，通過對腳底施加非常微弱的隨機振動，可以提高姿勢控制的複雜性。目前尚不清楚這種干預是如何奏效的。一種可能是，這些無法察覺的振動會給感覺系統增加低水平的噪音，加強神經感受器的輸入，從而降低它們的刺激閾值。這種現象稱為隨機共振，可能會提高神經細胞收集雙腳位置和姿勢信息並做出反應的能力，我們的身體也因此變得更複雜，從而更能適應姿勢的調整。

　　在社交尺度上，維持一定的複雜性也能帶來額外的好處。許多研究表明，擁有廣泛且多樣化的社交網路與更好的健康和福利有密切聯繫。與孤立的社交相比，與他人關係緊密的個體活得更久，抑鬱程度更低，且更容易從心臟病發作、中風和其他急性疾病中康復。在日常生活中增加複雜性可能會產生深遠的影響。例如，學習新的技能或解決心理難題，可以幫助改善認知功能，並可能有助於避免痴呆症。

　　因此，如果你夢想退休後到安靜的海灘或樹林里生活，像索羅所說的，「認真地生活，只面對生活的基本事實」，那麼，現在或許應該考慮擁抱一個新的理念了，那就是：複雜，複雜，再複雜！（任天）