นักวิจัยจำลองการเคลื่อนที่ของสิ่งมีชีวิตเซลล์เดียว

ทีมนักวิจัยจาก TU Wien (เวียนนา) ได้จำลองกระบวนการเคลื่อนที่ของสิ่งมีชีวิตเซลล์เดียวที่เคลื่อนที่ในทิศทางที่ต้องการโดยไม่มีสมองหรือระบบประสาท ก่อนที่จะมีการพัฒนาขึ้นใหม่ นักวิจัยไม่แน่ใจว่าสิ่งมีชีวิตขนาดเล็กเหล่านี้สามารถทำกระบวนการดังกล่าวได้อย่างไร

ทีมงานคำนวณการโต้ตอบทางกายภาพระหว่างแบบจำลองสิ่งมีชีวิตที่เรียบง่ายและสิ่งแวดล้อม โดยสิ่งแวดล้อมเป็นของเหลวที่มีส่วนประกอบทางเคมีที่ไม่สม่ำเสมอและมีแหล่งอาหารที่กระจายไม่เท่าเทียมกัน

การวิจัยนี้ได้รับการตีพิมพ์ในวารสาร PNAS.

สิ่งมีชีวิตจำลอง

นักวิจัยได้ติดตั้งความสามารถในการประมวลผลข้อมูลเกี่ยวกับอาหารและสิ่งแวดล้อมให้กับสิ่งมีชีวิตจำลอง โดยอาศัยข้อมูลการประมวลผลที่สามารถปรับเปลี่ยนและปรับปรุงได้โดยใช้อัลกอริทึมการเรียนรู้ของเครื่อง ซึ่งหมายความว่านักวิจัยได้พัฒนาสิ่งมีชีวิตคอมพิวเตอร์ที่สามารถเคลื่อนที่และค้นหาอาหารได้เหมือนสิ่งมีชีวิตจริง

Andreas Zöttl เป็นผู้นำโครงการวิจัยที่สถาบันฟิสิกส์ทฤษฎีของ TU Wien

“เมื่อมองดูครั้งแรก มันอาจจะน่าประหลาดใจที่แบบจำลองที่เรียบง่ายสามารถแก้ปัญหาที่ยากได้” Zöttl กล่าว “แบคทีเรียสามารถใช้ตัวรับเพื่อกำหนดทิศทางที่ความเข้มข้นของออกซิเจนหรือสารอาหารเพิ่มขึ้น และข้อมูลนี้จะกระตุ้นการเคลื่อนที่ในทางที่ต้องการ ซึ่งเรียกว่าเคโมแท็กซิส”

สิ่งมีชีวิตหลายเซลล์มีการเชื่อมต่อของเซลล์ประสาท แต่สิ่งมีชีวิตเซลล์เดียวไม่มีเซลล์ประสาท ด้วยเหตุนี้จึงสามารถผ่านขั้นตอนการประมวลผลที่เรียบง่ายภายในเซลล์ได้เท่านั้น

“เพื่อให้สามารถอธิบายสิ่งนี้ได้ คุณต้องการแบบจำลองทางกายภาพที่สมจริงสำหรับการเคลื่อนที่ของสิ่งมีชีวิตเซลล์เดียวเหล่านี้” Zöttl กล่าว “เรามีแบบจำลองที่เรียบง่ายที่สุดที่อนุญาตให้เคลื่อนที่อิสระในของเหลวได้ สิ่งมีชีวิตเซลล์เดียวของเรามีสามมวลที่เชื่อมต่อกันด้วยกล้ามเนื้อที่เรียบง่าย คำถามคือกล้ามเนื้อเหล่านี้สามารถประสานกันเพื่อให้สิ่งมีชีวิตทั้งหมดเคลื่อนที่ในทางที่ต้องการหรือไม่ และสิ่งสำคัญที่สุดคือกระบวนการนี้สามารถทำได้ด้วยวิธีที่เรียบง่ายหรือต้องใช้การควบคุมที่ซับซ้อน”

การนำแบบจำลองคอมพิวเตอร์ไปใช้

Benedikt Hartl เป็นผู้ที่นำแบบจำลองไปใช้บนคอมพิวเตอร์

“แม้ว่าสิ่งมีชีวิตเซลล์เดียวจะไม่มีเครือข่ายเซลล์ประสาท แต่ขั้นตอนการตรรกะที่เชื่อมต่อ ‘การรับรู้’ ของมันกับการเคลื่อนที่สามารถอธิบายได้ด้วยวิธีการทางคณิตศาสตร์ที่คล้ายกับเครือข่ายประสาท” Hartl กล่าว

สิ่งมีชีวิตเซลล์เดียวมีการเชื่อมต่อตรรกะระหว่างองค์ประกอบต่างๆ ของเซลล์ และการเคลื่อนที่เกิดขึ้นเมื่อสัญญาณเคมีถูกกระตุ้น

Maximilian Hübl ได้ทำการคำนวณหลายอย่างในงานวิจัย

“องค์ประกอบเหล่านี้และวิธีที่พวกมันส่งผลกระทบต่อกันถูกจำลองบนคอมพิวเตอร์และปรับเปลี่ยนด้วยอัลกอริทึมทางพันธุกรรม: รุ่นต่อรุ่น กลยุทธ์การเคลื่อนที่ของสิ่งมีชีวิตเซลล์เดียวเสมือนถูกเปลี่ยนแปลงเล็กน้อย” Hübl รายงาน

เมื่อสิ่งมีชีวิตเซลล์เดียวประสบความสำเร็จในการเคลื่อนที่ไปในทิศทางที่ต้องการ พวกมันจะได้รับอนุญาตให้ “สืบพันธุ์” ในขณะที่ผู้ที่ไม่ทำเช่นนั้น “สูญพันธุ์” หลังจากผ่านหลายรุ่น การวิวัฒนาการเกิดขึ้น และเครือข่ายควบคุมปรากฏขึ้น เครือข่ายนี้ทำให้สิ่งมีชีวิตเซลล์เดียวเสมือนสามารถแปลงการรับรู้ทางเคมีเป็นการเคลื่อนที่ที่มุ่งเป้า และมันทำเช่นนี้ได้ด้วยวิธีการที่เรียบง่ายและใช้ระบบวงจรพื้นฐาน

“คุณไม่ควรคิดว่ามันเป็นสัตว์ที่พัฒนาแล้วซึ่งรับรู้บางสิ่งบางอย่างและวิ่งไปหามัน” Zöttl กล่าว “มันเหมือนกับการเคลื่อนที่แบบสุ่ม แต่การเคลื่อนที่ที่สุดท้ายจะไปในทิศทางที่ถูกต้องโดยเฉลี่ย และนั่นคือสิ่งที่คุณสังเกตเห็นในสิ่งมีชีวิตเซลล์เดียวในธรรมชาติ”