باحثون ي模ِّمون حركة الكائنات الحية وحيدة الخلية

لقد نجحت فريق بحثي في جامعة TU Wien (فيينا) في محاكاة عملية حركة الكائنات الحية وحيدة الخلية في اتجاه معين على الرغم من عدم وجود دماغ أو نظام عصبي. قبل التطورات الجديدة، لم يكن الباحثون متأكدين من كيفية قدرة هذه الكائنات الصغيرة على مثل هذا الإجراء.

قام الفريق بحساب التفاعل الفيزيائي بين نموذج بسيط للكائن الحي وبيئته، حيث كانت البيئة سائلة ذات تكوين كيميائي غير منتظم تحتوي على مصادر غذائية غير متساوية التوزيع.

نُشر البحث في مجلة PNAS.

الكائن المحاكى

جهز الباحثون الكائن المحاكى بقدرة على معالجة البيانات حول طعامه وبيئته. بالاعتماد على خوارزمية تعلم الآلة، يمكن تعديل ومعالجة معالجة المعلومات وتحسينها في خطوات تطورية. وهذا يعني أن الباحثين طوروا كائنًا حاسوبيًا قادرًا على الحركة والبحث عن الطعام بشكل مشابه للكائنات الحية في الحياة الواقعية.

أدّى أندرياس زوتل مشروع البحث في معهد الفيزياء النظرية في جامعة TU Wien.

“عند النظر الأول، من الم驚 أن نموذجًا بسيطًا مثل هذا يمكن أن يحل مهمة صعبة مثل هذه،” يقول زوتل. “يمكن للبكتيريا استخدام المستقبلات لتحديد الاتجاه الذي تزداد فيه تركيز الأكسجين أو المغذيات، وهذه المعلومات تؤدي بعد ذلك إلى حركة في الاتجاه المرغوب فيه. ويسمى هذا التوجيه الكيميائي.”

في حين أن الكائنات متعددة الخلايا لديها اتصال بين الخلايا العصبية، فإن الكائنات وحيدة الخلية لا تملك خلايا عصبية. وبسبب ذلك، يمكنها فقط أن تنتقل عبر خطوات معالجة بسيطة داخل الخلية.

“لشرح هذا، تحتاج إلى نموذج فيزيائي واقعي لحركة هذه الكائنات الحية وحيدة الخلية،” يقول زوتل. “لقد اخترنا النموذج البسيط الذي يسمح بالحركة المستقلة في سائل في المقام الأول. يتكون كائننا الحى وحيد الخلية من ثلاث كتلات متصلة bằng عضلات مبسطة. الآن يطرح السؤال: هل يمكن تنسيق هذه العضلات بحيث يتحرك الكائن الحى كله في الاتجاه المرغوب فيه؟ وأهم من ذلك: هل يمكن تحقيق هذا الإجراء بطريقة بسيطة، أو يحتاج إلى تحكم معقد؟”

تنفيذ النموذج الحاسوبي

كان بنديكت هارتل هو من قام بتنفيذ النموذج على الحاسوب.

“حتى لو لم يكن للكائن الحى وحيد الخلية شبكة من الخلايا العصبية — يمكن وصف الخطوات المنطقية التي تربط بين إحساساته وحركته بشكل رياضي مشابه لشبكة عصبية،” يقول هارتل.

تملك الكائنات الحية وحيدة الخلية اتصالات منطقية بين عناصر مختلفة من الخلية، ويتحرك عندما يتم إطلاق إشارات كيميائية.

أكمل ماكسيميليان هوبل بعض الحسابات في البحث.

“تم محاكاة هذه العناصر وتأثيرها على بعضها البعض على الحاسوب وتعديلها بخوارزمية جينية: بعد جيل وآخر، تم تغيير استراتيجية الحركة للكائنات الحية الافتراضية قليلا،” يخبر هوبل.

عندما نجحت الكائنات الحية وحيدة الخلية في توجيه حركتها إلى المواد الكيميائية المرغوبة، تم السماح لها “بالتكاثر”، بينما تم القضاء على تلك التي لم تفعل ذلك. بعد مرور العديد من الأجيال، حدث نوع من التطور وبرزت شبكة تحكم. تمكنت هذه الشبكة الكائن الحى الافتراضي من تحويل الإدراك الكيميائي إلى حركة موجهة، وهي تفعل ذلك ببساطة وبمكونات أساسية.

“لا يجب أن تفكر في هذا على أنه حيوان متقدم يدرك شيئًا ثم يركض نحوه،” يقول زوتل. “إنه أكثر مثل حركة ارتجافية عشوائية. ولكنها في النهاية تؤدي إلى الاتجاه الصحيح في المتوسط. وهذا هو ما تلاحظه في الكائنات الحية وحيدة الخلية في الطبيعة.”