Дослідники змоделювали рух одноклітинних організмів

Дослідницька команда в TU Wien (Відень) успішно змоделювала процес руху одноклітинних організмів у бажаному напрямку, незважаючи на відсутність мозку чи нервової системи. До нових розробок дослідники не були впевнені, як ці маленькі організми могли здійснювати такий процес.

Команда розрахувала фізичну взаємодію між простою моделлю організму та його середовищем, останнє з яких було рідиною з нерівномірною хімічною складом, що містить нерівномірно розподілені джерела їжі.

Дослідження було опубліковано в журналі PNAS.

Симульований організм

Дослідники оснастили симульований організм можливістю обробляти дані про його їжу та середовище. Завдяки алгоритму машинного навчання обробка інформації могла бути змінена та оптимізована в еволюційних кроках. Це означало, що дослідники розробили комп’ютерний організм, здатний рухатися та шукати їжу подібно до реальних організмів.

Андреас Зеттль очолював дослідницький проєкт в Інституті теоретичної фізики TU Wien.

“На перший погляд, дивно, що така проста модель може розв’язати таку складну задачу”, – говорить Зеттль. “Бактерії можуть використовувати рецептори для визначення напрямку, наприклад, збільшення концентрації кисню або поживних речовин, і ця інформація потім викликає рух у бажаному напрямку. Це називається хемотаксисом.”

Багатоклітинні організми мають взаємозв’язок між нервовими клітинами, одноклітинні організми не мають нервових клітин. Через це вони можуть здійснювати лише прості обробчі кроки всередині клітини.

“Щоб змоделювати це, потрібно мати реалістичну фізичну модель руху цих одноклітинних організмів”, – говорить Зеттль. “Ми обрали найпростішу модель, яка фізично дозволяє незалежний рух у рідині. Наш одноклітинний організм складається з трьох мас, з’єднаних спрощеними м’язами. Тепер виникає питання: чи можна ці м’язи координувати так, щоб весь організм рухався у бажаному напрямку? І головне: чи можна цей процес реалізувати простим способом, або це потребує складного контролю?”

Реалізація комп’ютерної моделі

Бенедикт Гартл реалізував модель на комп’ютері.

“Дажи якщо одноклітинний організм не має мережі нервових клітин, логічні кроки, які пов’язують його ‘чуття’ з рухом, можна описати математично подібно до нейронної мережі”, – говорить Гартл.

Одноклітинні організми мають логічні зв’язки між різними елементами клітини, і рух відбувається, коли хімічні сигнали спрацьовують.

Максиміліан Гюбл виконав кілька розрахунків у дослідженні.

“Ці елементи та спосіб їх взаємодії були змодельовані на комп’ютері та налаштовані за допомогою генетичного алгоритму: покоління за поколінням стратегія руху віртуальних одноклітинних організмів змінювалася трохи”, – повідомляє Гюбл.

Коли одноклітинні організми успішно спрямовували свій рух до бажаних хімічних речовин, їм було дозволено “розмножуватися”, тоді як ті, які не змогли цього зробити, “вимерли”. Після багатьох поколінь відбулася еволюція, і з’явилася система контролю. Ця система дозволила віртуальному одноклітинному організму перетворювати хімічні сприйняття у цілеспрямований рух, і це відбувається просто та з базовими схемами.

“Не варто думати про це як про високо розвинену тварину, яка свідомо сприймає щось і потім біжить до цього”, – говорить Зеттль. “Це більше схоже на випадковий рух. Але той, який в кінцевому підсумку веде у правильному напрямку в середньому. І саме це спостерігається у одноклітинних організмів у природі.”