Výzkumníci simulovali pohyb jednobuněčných organismů

Výzkumný tým z TU Wien (Vídeň) úspěšně simuloval proces pohybu jednobuněčných organismů v požadovaném směru, ačkoli tyto organismy nemají mozek ani nervový systém. Před novým vývojem nebyli výzkumníci přesvědčeni, jak jsou tyto malé organismy schopny takového procesu.

Tým vypočítal fyzickou interakci mezi jednoduchým modelem organismu a jeho prostředím, přičemž posledně zmíněné bylo kapalina s neuniformní chemickou skladbou obsahující nerovnoměrně rozložené zdroje potravy.

Výzkum byl zveřejněn v časopise PNAS.

Simulovaný organismus

Výzkumníci vybavili simulovaný organismus schopností zpracovávat data o jeho potravě a prostředí. Díky algoritmu strojového učení mohla být zpracování informací modifikována a optimalizována v evolučních krocích. To znamenalo, že výzkumníci vyvinuli počítačový organismus schopný pohybu a hledání potravy podobně jako skutečné organismy.

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

„Na první pohled je překvapivé, že takový jednoduchý model může řešit takovou obtížnou úlohu,“ říká Zöttl. „Bakterie mohou používat receptory k určení směru, ve kterém se zvyšuje koncentrace kyslíku nebo živin, a tato informace poté spouští pohyb ve směru. To se nazývá chemotaxe.“

Zatímco mnohobuněčné organismy mají propojení nervových buněk, jednobuněčné organismy nemají nervové buňky. Proto mohou projít pouze jednoduchými procesy zpracování uvnitř buňky.

„Abyste mohli toto vysvětlit, potřebujete realistický, fyzický model pro pohyb těchto jednobuněčných organismů,“ říká Zöttl. „Vybrali jsme nejjednodušší možný model, který fyzicky umožňuje nezávislý pohyb v kapalině. Náš jednobuněčný organismus se skládá ze tří hmot spojených zjednodušenými svaly. Otázka nyní zní: mohou být tyto svaly koordinovány tak, aby se celý organismus pohyboval ve směru? A především: může být tento proces realizován jednoduchým způsobem, nebo vyžaduje složitou kontrolu?“

Implementace počítačového modelu

Benedikt Hartl implementoval model na počítači.

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

Jednobuněčné organismy mají logické spojení mezi různými prvky buňky a pohyb se vyskytuje, když jsou spuštěny chemické signály.

Maximilian Hübl dokončil několik výpočtů ve výzkumu.

„Tyto prvky a způsob, jakým se vzájemně ovlivňují, byly simulovány na počítači a upraveny pomocí genetického algoritmu: generace po generaci se měnila pohybová strategie virtuálních jednobuněčných organismů,“ uvádí Hübl.

Když se jednobuněčné organismy podařilo nasměrovat svůj pohyb k požadovaným chemikáliím, byly „povoleny“ k „rozmnožování“, zatímco ty, které se nezdařily, „vymřely“. Po mnoha generacích nastala evoluce a vyvinula se řídicí síť. Tato síť umožnila virtuálnímu jednobuněčnému organismu převést chemické vnímání na cílený pohyb, a to jednoduchým a základním obvodem.

„Neměli byste si to představovat jako vysoce vyvinuté zvíře, které vědomě vnímá něco a poté běží k němu,“ říká Zöttl. „Je to spíše náhodný pohyb. Ale jeden, který nakonec vede ve správném směru v průměru. A to je přesně to, co pozorujete u jednobuněčných organismů v přírodě.“