연구진, 단세포 생물체의 운동을 시뮬레이션에 성공

비엔나 기술대학교(TU Wien)의 연구진은 뇌나 신경계가 없는 단세포 생물체가 원하는 방향으로 이동하는 과정을 성공적으로 시뮬레이션했습니다. 새로운 개발 이전에, 연구진은 이러한 작은 생물체가 이러한 과정을 어떻게 수행할 수 있는지 확신하지 못했습니다.

연구진은 단순한 모델 생물체와 그 환경, 즉 비균일한 화학적 구성의 액체와 불균일하게 분포된 음식원 사이의 물리적 상호작용을 계산했습니다.

이 연구는 PNAS 저널에 발표되었습니다.

시뮬레이션된 생물체

연구진은 시뮬레이션된 생물체에 음식과 환경에 대한 데이터를 처리하는 능력을 부여했습니다. 기계 학습 알고리즘을 사용하여 정보 처리를 수정하고 진화적 단계에서 최적화할 수 있었습니다. 이는 연구진이 실제 생물체와 유사하게 음식을 찾고 이동할 수 있는 컴퓨터 생물체를 개발할 수 있음을 의미합니다.

안드레아스 쾨틀(Andreas Zöttl)은 비엔나 기술대학교의 이론물리학研究所에서 연구 프로젝트를 이끌었습니다.

“일단 nhìn하면, 이러한 어려운 과제를 해결할 수 있는如此 간단한 모델이 놀랍습니다.” 쾨틀은 말합니다. “박테리아는 수용체를 사용하여 산소 또는 영양소 농도가 증가하는 방향을 결정할 수 있으며, 이러한 정보는 원하는 방향으로의 이동을.trigger합니다. 이것을 화학 자극이라고 합니다.”

다세포 생물체에는 신경 세포가 연결되어 있지만, 단세포 생물체에는 신경 세포가 없습니다.因此,它们只能 단순한 처리 단계를 거칠 수 있습니다.

“이것을 설명하기 위해, 이러한 단세포 생물체의 운동에 대한 현실적이고 물리적인 모델이 필요합니다.” 쾨틀은 말합니다. “우리는 처음으로 유체에서 독립적으로 운동할 수 있는 가장 간단한 모델을 선택했습니다. 우리의 단세포 생물체는 세 개의 질량으로 구성되어 있으며, 단순화된 근육으로 연결되어 있습니다. 이제 질문은, 이러한 근육을 어떻게 조정할 수 있는지입니다. 즉, 전체 생물체가 원하는 방향으로 이동할 수 있는지입니다. 그리고 무엇보다, 이러한 과정이 간단한 방식으로 실현될 수 있는지, 아니면 복잡한 제어가 필요한지입니다.”

컴퓨터 모델 구현

베네딕트 하틀(Benedikt Hartl)은 컴퓨터에서 모델을 구현했습니다.

“ 即使 단세포 생물체에 신경 세포 네트워크가 없더라도, 그들의 ‘감각적 인상’과 운동을 연결하는 논리적인 단계를 수학적으로 설명할 수 있습니다.” 하틀은 말합니다.

단세포 생물체에는 세포의 다양한 요소 사이에 논리적인 연결이 있으며, 운동은 화학적 신호가 트리거될 때 발생합니다.

막시밀리안 후블(Maximilian Hübl)은 연구에서 여러 계산을 수행했습니다.

“ 이러한 요소와 그들이 서로에게 미치는 영향은 컴퓨터에서 시뮬레이션되었으며, 유전 알고리즘으로 조정되었습니다. 즉, 가상 단세포 생물체의 운동 전략을 조금씩 변경했습니다.” 후블은 보고합니다.

단세포 생물체가 원하는 화학물질로 이동하는 데 성공하면, 그것들은 ‘번식’할 수 있었으며, 그렇지 못한 경우에는 ‘사망’했습니다. 여러 세대가 지나면서, 한 종류의 진화가 발생했고, 제어 네트워크가 나타났습니다. 이 네트워크는 가상 단세포 생물체가 화학적 인식을 목표로 하는 운동으로 변환할 수 있게 하였으며, 이는 단순하고 기본적인 회로로 수행되었습니다.

“고도로 발달한 동물이 의식적으로 무언가를 인식하고 그 방향으로 달려가는 것이라고 생각해서는 안 됩니다.” 쾨틀은 말합니다. “그것은 더 像 무작위로 흔들리는 운동입니다. 그러나 평균적으로 올바른 방향으로 이동합니다. 그리고 그것이 자연에서 단세포 생물체를 관찰할 때 정확히 일어나는 것입니다.”