Forskere simulerer bevægelse af encellede organismer

Et forskningsteam ved TU Wien (Wien) har succesfuldt simuleret processen med, at encellede organismer bevæger sig i en ønsket retning, selvom de ikke har en hjerne eller nervesystem. Før de nye udviklinger var forskerne ikke sikre på, hvordan de små organismer var i stand til en sådan proces.

Holdet beregnede den fysisk interaktion mellem en simpel modelorganisme og dets miljø, hvor sidstnævnte var en væske med en ikke-uniform kemisk sammensætning, der indeholdt urent fordelt fødekilder.

Forskningen blev offentliggjort i tidsskriftet PNAS.

Den simulerede organisme

Forskerne udstyrede den simulerede organisme med evnen til at behandle data om dens føde og miljø. Ved at benytte en maskinel læringsalgoritme kunne informationsbehandlingen modificeres og optimeres i evolutionære trin. Dette betød, at forskerne udviklede en computerorganisme, der kunne bevæge sig og søge efter føde på samme måde som rigtige organismer.

Andreas Zöttl ledede forskningsprojektet ved Institut for Teoretisk Fysik ved TU Wien.

“Ved første øjekast er det overraskende, at så enkelt en model kan løse så vanskeligt en opgave,” siger Zöttl. “Bakterier kan bruge receptorer til at bestemme, i hvilken retning, for eksempel, ilt- eller næringsstofkoncentrationen er stigende, og denne information udløser derefter en bevægelse i den ønskede retning. Dette kaldes kemotaksi.”

Flercellede organismer har en forbindelse af nerveceller, men encellede organismer har ingen nerveceller. På grund af dette kan de kun gå igennem simple behandlingstrin inden for cellen.

“For at kunne forklare dette, har man brug for en realistisk, fysisk model for bevægelsen af disse encellede organismer,” siger Zöttl. “Vi har valgt den enkleste mulige model, der fysisk tillader uafhængig bevægelse i en væske fra starten. Vores encellede organisme består af tre masser forbundet med simplificerede muskler. Spørgsmålet er nu: Kan disse muskler koordineres på en måde, så hele organismen bevæger sig i den ønskede retning? Og først og fremmest: Kan denne proces realiseres på en simpel måde, eller kræver det kompliceret kontrol?”

Implementering af computermodellen

Benedikt Hartl var den, der implementerede modellen på computeren.

“Selv om den encellede organisme ikke har et netværk af nerveceller – de logiske trin, der forbinder dens ‘sansning’ med dens bevægelse, kan beskrives matematisk på en lignende måde som et neuralt netværk,” siger Hartl.

Encellede organismer har logiske forbindelser mellem forskellige elementer i cellen, og bevægelse finder sted, når kemiske signaler udløses.

Maximilian Hübl gennemførte flere af beregningerne i forskningen.

“Disse elementer og måden, de påvirker hinanden, blev simuleret på computeren og tilpasset med en genetisk algoritme: Generation efter generation blev bevægelsesstrategien for de virtuelle encellede organismer ændret lidt,” rapporterer Hübl.

Når de encellede organismer lykkedes i at rette deres bevægelse mod de ønskede kemiske stoffer, fik de lov til at “formere sig”, mens de, der ikke gjorde, “døde ud”. Efter mange generationer skete en form for evolution, og et kontrollnetværk opstod. Dette netværk gjorde det muligt for en virtuel encellede organisme at omdanne kemiske sansninger til rettet bevægelse, og det sker på en simpel måde og med grundlæggende kredsløb.

“Man skal ikke tænke på det som et højtudviklet dyr, der bevidst opfatter noget og så løber mod det,” siger Zöttl. “Det er mere som en tilfældig vaklende bevægelse. Men en, der ultimativt fører i den rette retning i gennemsnit. Og det er netop, hvad man observerer med encellede organismer i naturen.”