Forscher simulieren Bewegung von einzelligen Organismen

Ein Forschungsteam an der TU Wien (Wien) hat den Prozess der Bewegung von einzelligen Organismen in eine bestimmte Richtung erfolgreich simuliert, obwohl sie kein Gehirn oder Nervensystem haben. Vor den neuen Entwicklungen waren die Forscher nicht sicher, wie die kleinen Organismen diesen Prozess durchführen konnten.

Das Team berechnete die physikalische Wechselwirkung zwischen einem einfachen Modellorganismus und seiner Umgebung, wobei letztere eine Flüssigkeit mit nicht-einheitlicher chemischer Zusammensetzung mit ungleichmäßig verteilten Nahrungsquellen war.

Die Forschung wurde in der Zeitschrift PNAS veröffentlicht.

Der simulierte Organismus

Die Forscher rüsteten den simulierten Organismus mit der Fähigkeit aus, Daten über seine Nahrung und Umgebung zu verarbeiten. Durch die Verwendung eines Machine-Learning-Algorithmus konnte die Informationsverarbeitung modifiziert und optimiert werden. Dies bedeutete, dass die Forscher einen Computerorganismus entwickelten, der sich bewegen und nach Nahrung suchen konnte, ähnlich wie reale Organismen.

Andreas Zöttl leitete das Forschungsprojekt am Institut für Theoretische Physik an der TU Wien.

“Auf den ersten Blick ist es überraschend, dass ein so einfaches Modell eine so schwierige Aufgabe lösen kann”, sagt Zöttl. “Bakterien können Rezeptoren verwenden, um zu bestimmen, in welche Richtung zum Beispiel die Sauerstoff- oder Nährstoffkonzentration zunimmt, und diese Information löst dann eine Bewegung in die gewünschte Richtung aus. Dies wird als Chemotaxis bezeichnet.”

Während mehrzellige Organismen eine Verbindung von Nervenzellen haben, haben einzellige Organismen keine Nervenzellen. Deshalb können sie nur einfache Verarbeitungsschritte innerhalb der Zelle durchführen.

“Um dies zu erklären, benötigt man ein realistisches, physikalisches Modell für die Bewegung dieser einzelligen Organismen”, sagt Zöttl. “Wir haben das einfachste mögliche Modell gewählt, das physikalisch unabhängige Bewegung in einer Flüssigkeit ermöglicht. Unser einzelliger Organismus besteht aus drei Massen, die durch vereinfachte Muskeln verbunden sind. Die Frage ist nun: Können diese Muskeln so koordiniert werden, dass der gesamte Organismus in die gewünschte Richtung bewegt wird? Und vor allem: Kann dieser Prozess auf einfache Weise realisiert werden oder erfordert er eine komplizierte Steuerung?”

Implementierung des Computermodells

Benedikt Hartl war derjenige, der das Modell am Computer implementierte.

“Auch wenn der einzellige Organismus kein Netzwerk von Nervenzellen hat, können die logischen Schritte, die seine ‘sinnlichen Eindrücke’ mit seiner Bewegung verbinden, mathematisch ähnlich wie ein neuronales Netzwerk beschrieben werden”, sagt Hartl.

Einzellige Organismen haben logische Verbindungen zwischen verschiedenen Elementen der Zelle, und die Bewegung findet statt, wenn chemische Signale ausgelöst werden.

Maximilian Hübl führte einige der Berechnungen in der Forschung durch.

“Diese Elemente und die Art, wie sie sich gegenseitig beeinflussen, wurden am Computer simuliert und mit einem genetischen Algorithmus angepasst: Generation für Generation wurde die Bewegungsstrategie der virtuellen einzelligen Organismen leicht geändert”, berichtet Hübl.

Wenn die einzelligen Organismen es schafften, ihre Bewegung in die gewünschte Richtung zu lenken, wurden sie “reproduziert”, während diejenigen, die es nicht schafften, “ausstarben”. Nach vielen Generationen fand eine Art Evolution statt und ein Steuerungsnetzwerk entstand. Dieses Netzwerk ermöglichte es einem virtuellen einzelligen Organismus, chemische Wahrnehmungen in gezielte Bewegungen umzuwandeln, und es tut dies auf einfache Weise und mit grundlegenden Schaltkreisen.

“Man sollte sich das nicht als ein hochentwickeltes Tier vorstellen, das etwas bewusst wahrnimmt und dann darauf zuläuft”, sagt Zöttl. “Es ist eher wie eine zufällige Schwankungsbewegung. Aber eine, die letztendlich in die richtige Richtung führt, im Durchschnitt. Und das ist genau das, was man bei einzelligen Organismen in der Natur beobachtet.”