Forskare Simulerar Rörelse Av Encelliga Organismer

Ett forskarteam vid TU Wien (Wien) har lyckats simulerar processen med att encelliga organismer rör sig i en önskad riktning trots att de inte har någon hjärna eller nervsystem. Före de nya utvecklingarna var forskare inte säkra på hur de små organismerna kunde utföra en sådan process.

Teamet beräknade den fysiska interaktionen mellan en enkel modellorganism och dess miljö, där den senare var en vätska med en icke-enhetlig kemisk sammansättning som innehöll ojämnt fördelade matkällor.

Forskningen publicerades i tidskriften PNAS.

Den Simulerade Organismen

Forskarna utrustade den simulerade organismen med förmågan att bearbeta data om sin mat och miljö. Genom att förlita sig på en maskinlärningsalgoritm kunde informationsbearbetningen modifieras och optimeras i evolutionära steg. Detta innebar att forskarna utvecklade en datormodell som kunde röra sig och söka efter mat på ett sätt som liknade verkliga organismer.

Andreas Zöttl ledde forskningsprojektet vid institutet för teoretisk fysik vid TU Wien.

“Vid första anblicken är det förvånande att en sådan enkel modell kan lösa en så svår uppgift”, säger Zöttl. “Bakterier kan använda receptorer för att bestämma i vilken riktning, till exempel, syre- eller näringskoncentrationen ökar, och denna information utlöser sedan en rörelse i den önskade riktningen. Detta kallas kemotaxi.”

Medan flercelliga organismer har en sammanlänkning av nervceller har encelliga organismer inga nervceller. På grund av detta kan de bara genomgå enkla bearbetningssteg inom cellen.

“För att kunna förklara detta behöver man en realistisk, fysisk modell för rörelsen av dessa encelliga organismer”, säger Zöttl. “Vi har valt den enklaste möjliga modellen som fysiskt tillåter oberoende rörelse i en vätska från början. Vår encelliga organism består av tre massor som är sammankopplade med förenklade muskler. Frågan är nu: kan dessa muskler samordnas på ett sätt som gör att hela organismen rör sig i den önskade riktningen? Och framför allt: kan denna process förverkligas på ett enkelt sätt, eller kräver den komplicerad styrning?”

Att Implementera Datormodellen

Benedikt Hartl var den som implementerade modellen på datorn.

“Även om den encelliga organismen inte har ett nätverk av nervceller — de logiska stegen som kopplar samman dess ‘sinnesintryck’ med dess rörelse kan beskrivas matematiskt på ett liknande sätt som ett neuralt nätverk”, säger Hartl.

Encelliga organismer har logiska kopplingar mellan olika delar av cellen, och rörelse sker när kemiska signaler utlöses.

Maximilian Hübl slutförde flera av beräkningarna i forskningen.

“Dessa element och hur de påverkar varandra simulerades på datorn och justerades med en genetisk algoritm: Generation efter generation ändrades rörelsestrategin för de virtuella encelliga organismerna något”, rapporterar Hübl.

När de encelliga organismerna lyckades styra sin rörelse mot de önskade kemikalierna fick de “fortplanta sig”, medan de som inte gjorde det “dog ut”. Efter att ha gått igenom många generationer skedde en slags evolution och ett styrningsnätverk uppstod. Detta nätverk möjliggjorde att en virtuell encellig organism kunde omvandla kemiska perceptioner till riktad rörelse, och det sker på ett enkelt sätt och med grundläggande kretsar.

“Man bör inte tänka på det som en högt utvecklad djur som medvetet uppfattar något och sedan springer mot det”, säger Zöttl. “Det är mer som en slumpmässig vaggande rörelse. Men en som till slut leder i rätt riktning i genomsnitt. Och det är exakt vad man observerar med encelliga organismer i naturen.”