Výzkumníci simulují pohyb jednobuněčných organismů

Výzkumný tým na TU Wien (Vídeň) úspěšně simuloval proces jednobuněčných organismů pohybujících se požadovaným směrem, přestože nemají mozek ani nervový systém. Před novým vývojem si výzkumníci nebyli jisti, jak jsou malé organismy schopny takového procesu. 

Tým vypočítal fyzikální interakci mezi jednoduchým modelovým organismem a jeho prostředím, přičemž to druhé je kapalina s nejednotným chemickým složením obsahující nerovnoměrně rozložené zdroje potravy. 

Výzkum byl publikován v časopise PNAS. 

Simulovaný organismus

Vědci vybavili simulovaný organismus schopností zpracovávat data o jeho potravě a životním prostředí. Spoléháním se na algoritmus strojového učení by mohlo být zpracování informací modifikováno a optimalizováno v evolučních krocích. To znamenalo, že výzkumníci vyvinuli počítačový organismus schopný pohybovat se a hledat potravu podobný organismům v reálném životě. 

Andreas Zöttl vedl výzkumný projekt na Ústavu teoretické fyziky TU Wien. 

„Na první pohled je překvapivé, že tak jednoduchý model dokáže vyřešit tak náročný úkol,“ říká Zöttl. „Bakterie mohou pomocí receptorů určit, kterým směrem se například zvyšuje koncentrace kyslíku nebo živin, a tato informace pak spustí pohyb požadovaným směrem. Tomu se říká chemotaxe." 

Zatímco mnohobuněčné organismy mají propojení nervových buněk, jednobuněčné organismy žádné nervové buňky nemají. Z tohoto důvodu mohou v buňce projít pouze jednoduchými kroky zpracování.

"Abyste to mohli vysvětlit, potřebujete realistický, fyzikální model pohybu těchto jednobuněčných organismů,“ říká Zöttl. „Zvolili jsme nejjednodušší možný model, který v první řadě fyzicky umožňuje nezávislý pohyb v tekutině. Náš jednobuněčný organismus se skládá ze tří hmot spojených zjednodušenými svaly. Nyní vyvstává otázka: lze tyto svaly koordinovat tak, aby se celý organismus pohyboval požadovaným směrem? A především: lze tento proces realizovat jednoduchým způsobem, nebo vyžaduje komplikované ovládání?

Implementace počítačového modelu

Benedikt Hartl byl tím, kdo implementoval model do počítače. 

„I když jednobuněčný organismus nemá síť nervových buněk – logické kroky, které spojují jeho ‚smyslové vjemy‘ s jeho pohybem, lze popsat matematicky podobně jako neuronovou síť,“ říká Hartl.

Jednobuněčné organismy mají logické spojení mezi různými prvky buňky a pohyb probíhá, když jsou spouštěny chemické signály. 

Maximilian Hübl dokončil několik výpočtů ve výzkumu.

„Tyto prvky a způsob, jakým se navzájem ovlivňují, byly simulovány na počítači a upraveny genetickým algoritmem: Generace po generaci byla strategie pohybu virtuálních jednobuněčných organismů mírně změněna,“ uvádí Hübl.

Když se jednobuněčným organismům podařilo nasměrovat svůj pohyb na požadované chemikálie, bylo jim umožněno „rozmnožovat se“, zatímco ty, které „nevymřely“. Poté, co prošel mnoha generacemi, došlo k určitému druhu evoluce a vznikla řídicí síť. Tato síť umožnila virtuálnímu jednobuněčnému organismu přeměnit chemické vjemy na cílený pohyb, a to jednoduše a se základními obvody. 

„Neměli byste o tom uvažovat jako o vysoce vyvinutém zvířeti, které něco vědomě vnímá a pak k tomu běží,“ říká Zöttl. "Je to spíš jako náhodný kolébavý pohyb." Ale takový, který nakonec v průměru vede správným směrem. A to je přesně to, co pozorujete u jednobuněčných organismů v přírodě.“