Tyrėjai imituoja vienaląsčių organizmų judėjimą

TU Wien (Viena) mokslininkų komanda sėkmingai imitavo vienaląsčių organizmų judėjimą norima kryptimi, nepaisant smegenų ar nervų sistemos neturėjimo. Prieš pradedant naujus pokyčius, mokslininkai nebuvo tikri, kaip maži organizmai gali atlikti tokį procesą. 

Komanda apskaičiavo fizinę sąveiką tarp paprasto modelio organizmo ir jo aplinkos, o pastaroji yra nevienodos cheminės sudėties skystis, kuriame yra netolygiai paskirstytų maisto šaltinių. 

Tyrimas buvo paskelbtas žurnale PNAS. 

Imituojamas organizmas

Tyrėjai sumodeliuotam organizmui suteikė galimybę apdoroti duomenis apie maistą ir aplinką. Remiantis mašininio mokymosi algoritmu, informacijos apdorojimas gali būti modifikuotas ir optimizuotas evoliuciniais etapais. Tai reiškė, kad mokslininkai sukūrė kompiuterinį organizmą, galintį judėti ir ieškoti maisto, panašaus į realaus gyvenimo organizmus. 

Andreas Zöttl vadovavo tyrimų projektui Teorinės fizikos institute TU Vienoje. 

„Iš pirmo žvilgsnio stebina, kad toks paprastas modelis gali išspręsti tokią sudėtingą užduotį“, – sako Zöttl. „Bakterijos gali naudoti receptorius, kad nustatytų, kuria kryptimi, pavyzdžiui, didėja deguonies ar maistinių medžiagų koncentracija, ir ši informacija sukelia judėjimą norima kryptimi. Tai vadinama chemotaksi. 

Nors daugialąsčiai organizmai turi nervų ląstelių ryšį, vienaląsčiai organizmai neturi nervų ląstelių. Dėl šios priežasties jie gali atlikti tik paprastus apdorojimo veiksmus ląstelėje.

"Kad galėtumėte tai paaiškinti, jums reikia tikroviško, fizinio šių vienaląsčių organizmų judėjimo modelio“, – sako Zöttl. „Mes pasirinkome patį paprasčiausią modelį, kuris fiziškai visų pirma leidžia savarankiškai judėti skystyje. Mūsų vienaląsčius organizmas susideda iš trijų masių, sujungtų supaprastintais raumenimis. Dabar kyla klausimas: ar galima šiuos raumenis koordinuoti taip, kad visas organizmas judėtų norima kryptimi? Ir svarbiausia: ar šis procesas gali būti įgyvendintas paprastai, ar tam reikia sudėtingos kontrolės?

Kompiuterinio modelio įgyvendinimas

Benediktas Hartlas buvo tas, kuris įdiegė modelį kompiuteryje. 

„Net jei vienaląsčias organizmas neturi nervinių ląstelių tinklo, loginius žingsnius, susiejančius jo „sensorinius įspūdžius“ su judėjimu, galima matematiškai apibūdinti panašiai kaip neuronų tinklą“, – sako Hartlas.

Vienaląsčiai organizmai turi loginius ryšius tarp skirtingų ląstelės elementų, o judėjimas vyksta, kai suveikia cheminiai signalai. 

Maximilian Hübl atliko keletą skaičiavimų tyrime.

„Šie elementai ir tai, kaip jie veikia vienas kitą, buvo imituojami kompiuteryje ir koreguojami naudojant genetinį algoritmą: karta po kartos virtualių vienaląsčių organizmų judėjimo strategija buvo šiek tiek pakeista“, – praneša Hübl.

Kai vienaląsčiams organizmams pavyko nukreipti savo judėjimą į norimas chemines medžiagas, jiems buvo leista „daugintis“, o tiems, kurie „išmirė“. Perėjus daugybę kartų, įvyko tam tikra evoliucija ir atsirado valdymo tinklas. Šis tinklas leido virtualiam vienaląsčiui organizmui paversti cheminį suvokimą tikslingu judėjimu, ir tai daroma paprastai ir naudojant pagrindinę grandinę. 

„Neturėtumėte galvoti apie tai kaip apie labai išsivysčiusį gyvūną, kuris sąmoningai ką nors suvokia ir bėga link jo“, – sako Zöttl. „Tai labiau panašu į atsitiktinį svyruojantį judesį. Tačiau toks, kuris galiausiai veda teisinga linkme. Ir būtent tai jūs stebite su vienaląsčiais organizmais gamtoje.