Cercetătorii simulează mișcarea organismelor unicelulare

O echipă de cercetători de la TU Wien (Viena) a reușit să simuleze procesul de mișcare a organismelor unicelulare într-o direcție dorită, chiar dacă nu au un creier sau sistem nervos. Înainte de noile dezvoltări, cercetătorii nu știau cum aceste organisme mici erau capabile de un astfel de proces.

Echipa a calculat interacțiunea fizică dintre un model simplu de organism și mediul său, care era un lichid cu o compoziție chimică neuniformă conținând surse de hrană distribuite inegal.

Cercetarea a fost publicată în revista PNAS.

Organismul simulat

Cercetătorii au echipat organismul simulat cu capacitatea de a prelucra date despre hrana și mediul său. Prin utilizarea unui algoritm de învățare automată, prelucrarea informațiilor putea fi modificată și optimizată în etape evolutive. Acest lucru a însemnat că cercetătorii au dezvoltat un organism de calculator capabil să se miște și să caute hrană similar cu organisme reale.

Andreas Zöttl a condus proiectul de cercetare la Institutul de Fizică Teoretică de la TU Wien.

“La prima vedere, este surprinzător că un model atât de simplu poate rezolva o sarcină atât de dificilă”, spune Zöttl. “Bacteriile pot utiliza receptori pentru a determina în ce direcție, de exemplu, concentrația de oxigen sau nutrienți crește, și această informație declanșează o mișcare în direcția dorită. Acest lucru se numește chemotaxie.”

În timp ce organismele multicelulare au o interconexiune de celule nervoase, organismele unicelulare nu au celule nervoase. Din cauza acestui fapt, ele pot trece doar prin pași simpli de prelucrare în interiorul celulei.

“Pentru a putea explica acest lucru, ai nevoie de un model fizic realist pentru mișcarea acestor organisme unicelulare”, spune Zöttl. “Am ales modelul cel mai simplu posibil care permite mișcarea independentă într-un fluid. Organismul nostru unicelular este format din trei mase conectate prin mușchi simplificați. Întrebarea acum este: pot acești mușchi fi coordonați în așa fel încât întregul organism să se miște în direcția dorită? Și mai presus de toate: poate acest proces fi realizat într-un mod simplu, sau necesită un control complicat?”

Implementarea modelului de calculator

Benedikt Hartl a fost cel care a implementat modelul pe calculator.

“Chiar dacă organismul unicelular nu are o rețea de celule nervoase, pașii logici care leagă ‘impresiile sale senzoriale’ de mișcarea sa pot fi descriși matematic într-un mod similar cu o rețea neuronală”, spune Hartl.

Organismele unicelulare au legături logice între diferite elemente ale celulei, și mișcarea are loc atunci când semnalele chimice sunt declanșate.

Maximilian Hübl a efectuat mai multe calcule în cadrul cercetării.

“Aceste elemente și modul în care se influențează reciproc au fost simulate pe calculator și ajustate cu un algoritm genetic: generație după generație, strategia de mișcare a organismelor unicelulare virtuale a fost schimbată ușor”, raportează Hübl.

Atunci când organismele unicelulare au reușit să-și direcționeze mișcarea către substanțele chimice dorite, au fost lăsate să “se reproducă”, în timp ce cele care nu au reușit “au dispărut”. După multe generații, a avut loc o evoluție și a apărut o rețea de control. Această rețea a permis unui organism unicelular virtual să convertească percepțiile chimice în mișcări direcționate, și o face într-un mod simplu și cu circuite de bază.

“Nu ar trebui să te gândești la acesta ca la un animal evoluat care percepe conștient ceva și apoi aleargă spre el”, spune Zöttl. “Este mai degrabă o mișcare haotică. Dar una care în final duce în direcția corectă, în medie. Și acesta este exact ceea ce observi la organisme unicelulare în natură.”