Исследователи моделируют движение одноклеточных организмов

Исследовательская группа из Технического университета Вены (Вена) успешно смоделировала процесс движения одноклеточных организмов в нужном направлении, несмотря на то, что у них нет мозга или нервной системы. До новых разработок исследователи не были уверены, как маленькие организмы способны на такой процесс. 

Команда рассчитала физическое взаимодействие между простым модельным организмом и окружающей его средой, причем последняя представляет собой жидкость с неоднородным химическим составом, содержащую неравномерно распределенные источники пищи. 

Исследование было опубликовано в журнале PNAS. 

Симулированный организм

Исследователи снабдили смоделированный организм способностью обрабатывать данные о пище и окружающей среде. Опираясь на алгоритм машинного обучения, можно постепенно изменять и оптимизировать обработку информации. Это означало, что исследователи разработали компьютерный организм, способный передвигаться и искать пищу, аналогичный реальным организмам. 

Андреас Цёттль руководил исследовательским проектом в Институте теоретической физики Венского технического университета. 

«На первый взгляд удивительно, что такая простая модель может решить такую ​​сложную задачу», — говорит Цёттль. «Бактерии могут использовать рецепторы, чтобы определить, в каком направлении, например, увеличивается концентрация кислорода или питательных веществ, и эта информация затем запускает движение в нужном направлении. Это называется хемотаксисом». 

В то время как многоклеточные организмы имеют взаимосвязь нервных клеток, одноклеточные организмы не имеют нервных клеток. Из-за этого они могут проходить только простые этапы обработки внутри клетки.

Чтобы объяснить это, вам нужна реалистичная физическая модель движения этих одноклеточных организмов», — говорит Цеттль. «Мы выбрали максимально простую модель, которая физически допускает независимое движение в жидкости. Наш одноклеточный организм состоит из трех масс, соединенных упрощенными мышцами. Теперь возникает вопрос: можно ли координировать эти мышцы так, чтобы весь организм двигался в нужном направлении? И главное: можно ли реализовать этот процесс простым способом или он требует сложного управления?»

Реализация компьютерной модели

Бенедикт Хартл реализовал модель на компьютере. 

«Даже если у одноклеточного организма нет сети нервных клеток, логические шаги, которые связывают его «сенсорные впечатления» с его движением, могут быть математически описаны аналогично нейронной сети», — говорит Хартл.

Одноклеточные организмы имеют логические связи между различными элементами клетки, и движение происходит при срабатывании химических сигналов. 

Максимилиан Хюбл выполнил несколько расчетов в исследовании.

«Эти элементы и то, как они влияют друг на друга, были смоделированы на компьютере и скорректированы с помощью генетического алгоритма: поколение за поколением стратегия движения виртуальных одноклеточных организмов немного менялась», — сообщает Хюбл.

Когда одноклеточным организмам удавалось направить свое движение на нужные химические вещества, им разрешалось «размножаться», а те, которые не «вымирали». После прохождения многих поколений произошла своего рода эволюция, и возникла управляющая сеть. Эта сеть позволила виртуальному одноклеточному организму преобразовать химическое восприятие в целенаправленное движение, и он делает это просто и с помощью базовой схемы. 

«Вы не должны думать об этом как о высокоразвитом животном, которое сознательно что-то воспринимает, а затем бежит к этому», — говорит Цёттль. «Это больше похоже на случайное колебательное движение. Но тот, который в конечном итоге ведет в правильном направлении в среднем. И это именно то, что вы наблюдаете у одноклеточных организмов в природе».