Истраживачи симулирају кретање једноћелијских организама

Истраживачки тим у ТУ Беч (Беч) успешно је симулирао процес једноћелијских организама који се крећу у жељеном правцу упркос томе што немају мозак или нервни систем. Пре новог развоја, истраживачи нису били сигурни како су мали организми способни за такав процес. 

Тим је израчунао физичку интеракцију између једноставног моделног организма и његовог окружења, при чему је потоња течност неуједначеног хемијског састава која садржи неравномерно распоређене изворе хране. 

Истраживање је објављено у часопису ПНАС. 

Симулирани организам

Истраживачи су опремили симулирани организам способношћу да обрађује податке о својој храни и окружењу. Ослањајући се на алгоритам машинског учења, обрада информација би се могла модификовати и оптимизовати у еволуционим корацима. То је значило да су истраживачи развили компјутерски организам способан да се креће и тражи храну сличну организмима из стварног живота. 

Андреас Зоттл је водио истраживачки пројекат на Институту за теоријску физику ТУ Беч. 

„На први поглед је изненађујуће да тако једноставан модел може да реши тако тежак задатак“, каже Зоттл. „Бактерије могу да користе рецепторе да одреде у ком правцу се, на пример, повећава концентрација кисеоника или хранљивих материја, а та информација онда покреће кретање у жељеном правцу. Ово се зове хемотакса." 

Док вишећелијски организми имају међусобну везу нервних ћелија, једноћелијски организми немају нервне ћелије. Због тога, они могу проћи само кроз једноставне кораке обраде унутар ћелије.

"Да бисте то могли објаснити, потребан вам је реалан, физички модел за кретање ових једноћелијских организама“, каже Зоттл. „Изабрали смо најједноставнији могући модел који физички омогућава независно кретање у течности. Наш једноћелијски организам се састоји од три масе повезане поједностављеним мишићима. Сада се поставља питање: да ли се ти мишићи могу ускладити тако да се цео организам креће у жељеном правцу? И изнад свега: да ли се овај процес може реализовати на једноставан начин или захтева компликовану контролу?“

Имплементација рачунарског модела

Бенедикт Хартл је био тај који је имплементирао модел на рачунар. 

„Чак и ако једноћелијски организам нема мрежу нервних ћелија — логички кораци који повезују његове ’чулне утиске’ са његовим кретањем могу се математички описати на сличан начин као неуронска мрежа“, каже Хартл.

Једноћелијски организми имају логичне везе између различитих елемената ћелије, а кретање се дешава када се активирају хемијски сигнали. 

Максимилијан Хубл је завршио неколико прорачуна у истраживању.

„Ови елементи и начин на који утичу једни на друге симулирани су на рачунару и прилагођени генетским алгоритмом: Генерација за генерацијом, стратегија кретања виртуелних једноћелијских организама се незнатно мењала“, извештава Хубл.

Када су једноћелијски организми успели да усмере своје кретање на жељене хемикалије, дозвољено им је да се „размножавају“, док су они који нису „изумрли“. Након проласка кроз многе генерације, дошло је до једне врсте еволуције и појавила се контролна мрежа. Ова мрежа је омогућила виртуелном једноћелијском организму да претвори хемијске перцепције у циљано кретање, и то чини једноставно и са основним колом. 

„Не би требало да мислите о томе као о високо развијеној животињи која свесно опажа нешто, а затим трчи ка томе“, каже Зоттл. „То је више као насумично љуљање. Али онај који на крају у просеку води у правом смеру. И то је управо оно што видите код једноћелијских организама у природи.”