Vísindamenn líkja eftir hreyfingu einfrumu lífvera

Rannsóknarteymi við TU Wien (Vín) hefur tekist að líkja eftir ferli einfruma lífvera sem fara í æskilega átt þrátt fyrir að hafa hvorki heila né taugakerfi. Fyrir nýju þróunina voru vísindamenn ekki vissir um hvernig litlu lífverurnar væru færar um slíkt ferli. 

Hópurinn reiknaði út eðlisfræðilega víxlverkun milli einfaldrar líkanlífveru og umhverfis hennar, þar sem hið síðarnefnda var vökvi með ójafna efnasamsetningu sem inniheldur ójafnt dreifða fæðugjafa. 

Rannsóknin var birt í tímaritinu PNAS. 

Hermalífveran

Rannsakendur útbjuggu eftirlíkingu lífverunnar með getu til að vinna úr gögnum um fæðu hennar og umhverfi. Með því að treysta á vélrænt reiknirit gæti upplýsingavinnslan verið breytt og fínstillt í þróunarskrefum. Þetta þýddi að rannsakendur þróuðu tölvulífveru sem var fær um að hreyfa sig og leita að fæðu svipað og raunverulegar lífverur. 

Andreas Zöttl stýrði rannsóknarverkefninu við Institute of Theoretical Physics við TU Wien. 

„Við fyrstu sýn kemur það á óvart að svo einfalt líkan geti leyst svo erfitt verkefni,“ segir Zöttl. „Bakteríur geta notað viðtaka til að ákvarða í hvaða átt, til dæmis styrkur súrefnis eða næringarefna er að aukast, og þessar upplýsingar koma síðan af stað hreyfingu í þá átt sem óskað er eftir. Þetta er kallað chemotaxis." 

Þó að fjölfruma lífverur séu með samtengingu taugafrumna hafa einfrumu lífverur engar taugafrumur. Vegna þessa geta þeir aðeins farið í gegnum einföld vinnsluþrep innan frumunnar.

"Til að geta útskýrt þetta þarf raunhæft, líkamlegt líkan fyrir hreyfingar þessara einfrumu lífvera,“ segir Zöttl. „Við höfum valið einfaldasta mögulega líkanið sem leyfir líkamlega sjálfstæða hreyfingu í vökva í fyrsta lagi. Einfruma lífveran okkar samanstendur af þremur massa sem eru tengdir með einföldum vöðvum. Spurningin vaknar núna: er hægt að samræma þessa vöðva á þann hátt að öll lífveran hreyfist í þá átt sem óskað er eftir? Og umfram allt: Er hægt að framkvæma þetta ferli á einfaldan hátt, eða krefst það flókins eftirlits?

Innleiðing tölvulíkans

Benedikt Hartl var sá sem útfærði líkanið á tölvuna. 

„Jafnvel þótt einfruma lífveran hafi ekki net taugafrumna — má lýsa rökréttu skrefunum sem tengja „skynskyn“ hennar við hreyfingu hennar stærðfræðilega á svipaðan hátt og taugafrumum,“ segir Hartl.

Einfruma lífverur hafa rökræn tengsl á milli mismunandi frumefna frumunnar og hreyfing á sér stað þegar kemísk merki koma af stað. 

Maximilian Hübl kláraði nokkra útreikninga í rannsókninni.

„Þessir þættir og hvernig þeir hafa áhrif hver á annan voru líkt eftir í tölvunni og stillt með erfðafræðilegu reikniriti: Kynslóð eftir kynslóð var hreyfingarstefnu sýndar einfruma lífvera breytt lítillega,“ segir Hübl.

Þegar einfrumulífverunum tókst að beina hreyfingum sínum að æskilegum efnum var þeim leyft að „fjölga sér“ en þær sem ekki „dóu út“. Eftir að hafa gengið í gegnum margar kynslóðir átti sér stað tegund af þróun og stjórnkerfi varð til. Þetta net gerði sýndar einfruma lífveru kleift að breyta efnafræðilegum skynjun í markvissa hreyfingu, og það gerir það einfaldlega og með grunnrásum. 

„Þú ættir ekki að líta á það sem háþróað dýr sem skynjar eitthvað meðvitað og hleypur síðan í átt að því,“ segir Zöttl. „Þetta er meira eins og tilviljunarkennd sveifluhreyfing. En einn sem að lokum leiðir í rétta átt að meðaltali. Og það er einmitt það sem þú sérð með einfrumu lífverum í náttúrunni.“