Các nhà nghiên cứu mô phỏng chuyển động của các sinh vật đơn bào

Một nhóm nghiên cứu tại TU Wien (Vienna) đã thành công trong việc mô phỏng quá trình di chuyển của các sinh vật đơn bào theo một hướng mong muốn mặc dù không có não bộ hoặc hệ thống thần kinh.

Đội ngũ đã tính toán sự tương tác vật lý giữa một mô hình sinh vật đơn giản và môi trường của nó, với môi trường là một chất lỏng có thành phần hóa học không đồng đều chứa các nguồn thức ăn phân bố không đều.

Nghiên cứu này đã được công bố trên tạp chí PNAS.

Sinh vật mô phỏng

Các nhà nghiên cứu đã trang bị cho sinh vật mô phỏng khả năng xử lý dữ liệu về thức ăn và môi trường của nó. Bằng cách dựa vào một thuật toán học máy, quá trình xử lý thông tin có thể được sửa đổi và tối ưu hóa trong các bước tiến hóa.

Andreas Zöttl đã dẫn đầu dự án nghiên cứu tại Viện Vật lý lý thuyết tại TU Wien.

“Ban đầu, điều đó thật ngạc nhiên khi một mô hình đơn giản như vậy có thể giải quyết một nhiệm vụ khó khăn như vậy,” Zöttl nói. “Vi khuẩn có thể sử dụng các thụ thể để xác định hướng mà nồng độ oxy hoặc chất dinh dưỡng tăng lên, và thông tin này sau đó kích hoạt một chuyển động theo hướng mong muốn. Điều này được gọi là hóa hướng động.”

Trong khi các sinh vật đa bào có sự kết nối của các tế bào thần kinh, các sinh vật đơn bào không có tế bào thần kinh. Do đó, chúng chỉ có thể thực hiện các bước xử lý đơn giản trong tế bào.

“Để có thể giải thích điều này, bạn cần một mô hình vật lý thực tế cho chuyển động của các sinh vật đơn bào này,” Zöttl nói. “Chúng tôi đã chọn mô hình đơn giản nhất có thể cho phép di chuyển độc lập trong một chất lỏng. Sinh vật đơn bào của chúng tôi bao gồm ba khối lượng kết nối bởi các cơ đơn giản hóa. Câu hỏi bây giờ là: liệu các cơ này có thể được điều phối để toàn bộ sinh vật di chuyển theo hướng mong muốn? Và quan trọng nhất: liệu quá trình này có thể được thực hiện một cách đơn giản, hoặc nó đòi hỏi một kiểm soát phức tạp?”

Triển khai mô hình máy tính

Benedikt Hartl là người đã triển khai mô hình trên máy tính.

“Ngay cả khi sinh vật đơn bào không có mạng lưới tế bào thần kinh – các bước logic kết nối các ‘cảm nhận’ của nó với chuyển động của nó có thể được mô tả toán học theo một cách tương tự như một mạng lưới thần kinh,” Hartl nói.

Các sinh vật đơn bào có các kết nối logic giữa các yếu tố khác nhau của tế bào, và chuyển động xảy ra khi các tín hiệu hóa học được kích hoạt.

Maximilian Hübl đã hoàn thành một số tính toán trong nghiên cứu.

“Các yếu tố này và cách chúng ảnh hưởng lẫn nhau đã được mô phỏng trên máy tính và điều chỉnh bằng một thuật toán di truyền: thế hệ sau thế hệ, chiến lược di chuyển của các sinh vật đơn bào ảo đã được thay đổi slightly,” Hübl báo cáo.

Khi các sinh vật đơn bào thành công trong việc định hướng chuyển động của chúng đến các hóa chất mong muốn, chúng được phép “sản sinh”, trong khi những sinh vật không thành công “tuyệt chủng”. Sau nhiều thế hệ, một loại tiến hóa đã xảy ra và một mạng lưới kiểm soát đã xuất hiện. Mạng lưới này cho phép một sinh vật đơn bào ảo chuyển đổi các nhận thức hóa học thành chuyển động có mục tiêu, và nó làm như vậy một cách đơn giản và với các mạch cơ bản.

“Bạn không nên nghĩ về nó như một động vật phát triển cao mà nhận thức một thứ gì đó và sau đó chạy theo nó,” Zöttl nói. “Nó giống như một chuyển động lung tung ngẫu nhiên. Nhưng một chuyển động cuối cùng dẫn đến hướng đúng trên trung bình. Và đó chính xác là những gì bạn quan sát thấy với các sinh vật đơn bào trong tự nhiên.”