Pesquisadores simulam movimento de organismos unicelulares

Uma equipe de pesquisa da TU Wien (Viena) simulou com sucesso o processo de organismos unicelulares que se movem na direção desejada, apesar de não terem cérebro ou sistema nervoso. Antes dos novos desenvolvimentos, os pesquisadores não tinham certeza de como os pequenos organismos eram capazes de tal processo. 

A equipe calculou a interação física entre um organismo modelo simples e seu ambiente, sendo este último um líquido com uma composição química não uniforme contendo fontes de alimento distribuídas de forma desigual. 

A pesquisa foi publicada na revista PNAS. 

O Organismo Simulado

Os pesquisadores equiparam o organismo simulado com a capacidade de processar dados sobre sua alimentação e meio ambiente. Ao contar com um algoritmo de aprendizado de máquina, o processamento da informação poderia ser modificado e otimizado em etapas evolutivas. Isso significou que os pesquisadores desenvolveram um organismo computacional capaz de se mover e procurar alimentos semelhantes aos organismos da vida real. 

Andreas Zöttl liderou o projeto de pesquisa no Instituto de Física Teórica da TU Wien. 

“À primeira vista, é surpreendente que um modelo tão simples possa resolver uma tarefa tão difícil”, diz Zöttl. “As bactérias podem usar receptores para determinar em que direção, por exemplo, a concentração de oxigênio ou nutrientes está aumentando, e essa informação desencadeia um movimento na direção desejada. Isso se chama quimiotaxia.” 

Enquanto organismos multicelulares possuem uma interconexão de células nervosas, organismos unicelulares não possuem células nervosas. Por causa disso, eles só podem passar por etapas de processamento simples dentro da célula.

"Para poder explicar isso, você precisa de um modelo físico realista para o movimento desses organismos unicelulares”, diz Zöttl. “Escolhemos o modelo mais simples possível que permite fisicamente o movimento independente em um fluido em primeiro lugar. Nosso organismo unicelular consiste em três massas conectadas por músculos simplificados. Surge agora a pergunta: esses músculos podem ser coordenados de forma que todo o organismo se mova na direção desejada? E acima de tudo: esse processo pode ser realizado de forma simples ou requer um controle complicado?”

Implementando o modelo de computador

Benedikt Hartl foi quem implementou o modelo no computador. 

“Mesmo que o organismo unicelular não tenha uma rede de células nervosas, os passos lógicos que ligam suas 'impressões sensoriais' com seu movimento podem ser descritos matematicamente de forma semelhante a uma rede neuronal”, diz Hartl.

Organismos unicelulares têm conexões lógicas entre diferentes elementos da célula, e o movimento ocorre quando os sinais químicos são acionados. 

Maximilian Hübl concluiu vários dos cálculos da pesquisa.

“Esses elementos e a maneira como eles se influenciam foram simulados no computador e ajustados com um algoritmo genético: geração após geração, a estratégia de movimento dos organismos unicelulares virtuais foi ligeiramente alterada”, relata Hübl.

Quando os organismos unicelulares conseguiram direcionar seu movimento para os produtos químicos desejados, eles puderam “se reproduzir”, enquanto aqueles que não “morreram”. Depois de passar por muitas gerações, ocorreu uma espécie de evolução e surgiu uma rede de controle. Essa rede permitiu que um organismo unicelular virtual convertesse percepções químicas em movimentos direcionados, e o faz de forma simples e com circuitos básicos. 

“Não se deve pensar nele como um animal altamente desenvolvido que percebe algo conscientemente e então corre em sua direção”, diz Zöttl. “É mais como um movimento oscilante aleatório. Mas um movimento que, em média, leva na direção certa. E é exatamente isso que observamos com organismos unicelulares na natureza.”