Naukowcy Symulują Ruch Organizmów Jednokomórkowych

Zespół badawczy z TU Wien (Wiedeń) berhasil symulował proces ruchu organizmów jednokomórkowych w żądanym kierunku, pomimo braku mózgu lub układu nerwowego. Przed nowymi odkryciami naukowcy nie byli pewni, jak te małe organizmy są w stanie wykonywać taki proces.

Zespół obliczył fizyczną interakcję między prostym modelem organizmu a jego środowiskiem, które było cieczą o niejednorodnym składzie chemicznym zawierającym nierównomiernie rozłożone źródła pokarmu.

Badania zostały opublikowane w czasopiśmie PNAS.

Symulowany Organizm

Naukowcy wyposażyli symulowany organizm w możliwość przetwarzania danych o jego pokarmie i środowisku. Dzięki wykorzystaniu algorytmu uczenia maszynowego, przetwarzanie informacji mogło być modyfikowane i optymalizowane w ewolucyjnych krokach. Oznacza to, że naukowcy stworzyli komputerowy organizm zdolny do poruszania się i szukania pokarmu w sposób podobny do organizmów rzeczywistych.

Andreas Zöttl kierował projektem badawczym w Instytucie Fizyki Teoretycznej na TU Wien.

„Na pierwszy rzut oka jest zaskakujące, że taki prosty model może rozwiązać tak trudne zadanie”, mówi Zöttl. „Bakterie mogą używać receptorów, aby określić, w którym kierunku, na przykład, stężenie tlenu lub składników odżywczych jest coraz większe, i ta informacja następnie wyzwala ruch w żądanym kierunku. Nazywa się to chemotaksją.”

Podczas gdy organizmy wielokomórkowe mają połączenie komórek nerwowych, organizmy jednokomórkowe nie mają komórek nerwowych. Z tego powodu mogą one przechodzić tylko przez proste kroki przetwarzania wewnątrz komórki.

“Aby to wyjaśnić, potrzebny jest realistyczny, fizyczny model ruchu tych organizmów jednokomórkowych”, mówi Zöttl. “Wybraliśmy najprostszy możliwy model, który fizycznie pozwala na niezależny ruch w cieczy. Nasz organizm jednokomórkowy składa się z trzech mas połączonych uproszczonymi mięśniami. Pytanie brzmi: czy te mięśnie mogą być skoordynowane w taki sposób, aby cały organizm poruszał się w żądanym kierunku? I przede wszystkim: czy ten proces może być zrealizowany w prosty sposób, czy wymaga skomplikowanego sterowania?”

Wdrożenie Modelu Komputerowego

Benedikt Hartl był odpowiedzialny za wdrożenie modelu na komputerze.

“Nawet jeśli organizm jednokomórkowy nie ma sieci komórek nerwowych – logiczne połączenia między jego ‘wrażeniami zmysłowymi’ a ruchem mogą być opisane matematycznie w sposób podobny do sieci neuronowej”, mówi Hartl.

Organizmy jednokomórkowe mają logiczne połączenia między różnymi elementami komórki, a ruch zachodzi, gdy są wyzwalane sygnały chemiczne.

Maximilian Hübl wykonał kilka obliczeń w badaniach.

“Te elementy i sposób, w jaki wpływają one na siebie, zostały zsynchronizowane na komputerze i dostosowane za pomocą algorytmu genetycznego: z pokolenia na pokolenie strategia ruchu wirtualnych organizmów jednokomórkowych była nieznacznie zmieniana”, relacjonuje Hübl.

Gdy organizmy jednokomórkowe odniosły sukces w kierowaniu swoim ruchem w stronę pożądanych chemikaliów, zostały „wybrane” do dalszego rozwoju, podczas gdy te, które nie odniosły sukcesu, „wyginęły”. Po przejściu przez wiele pokoleń nastąpiła ewolucja i pojawiła się sieć sterowania. Sieć ta umożliwiła wirtualnemu organizmowi jednokomórkowemu przekształcenie percepcji chemicznych w celowy ruch, i robi to w prosty sposób i przy użyciu podstawowych obwodów.

“Nie powinno się myśleć o tym jako o wysoko rozwiniętym zwierzęciu, które świadomie postrzega coś i biegnie w jego stronę”, mówi Zöttl. “To raczej losowy, kołyszący się ruch. Ale taki, który ostatecznie prowadzi w odpowiednim kierunku średnio. I to właśnie obserwuje się u organizmów jednokomórkowych w naturze.”