研究人员模拟单细胞生物的运动

维也纳科技大学（TU Wien）的研究团队成功模拟了单细胞生物在没有大脑或神经系统的情况下朝着特定方向移动的过程。之前，研究人员不清楚这些小生物如何能够实现这一过程。

该团队计算了一个简单的模型生物体与其环境之间的物理相互作用，后者是一个具有非均匀化学成分的液体，包含不均匀分布的食物来源。

该研究发表在《美国国家科学院院刊》（PNAS）上。

模拟生物体

研究人员为模拟生物体提供了处理其食物和环境信息的能力。通过依赖机器学习算法，信息处理可以在进化步骤中进行修改和优化。这意味着研究人员开发了一个能够像真实生物体一样移动和寻找食物的计算机生物体。

安德烈亚斯·佐特尔（Andreas Zöttl）领导了维也纳科技大学理论物理研究所的研究项目。

“乍一看，这样的简单模型竟然能够解决如此困难的任务，令人惊讶，”佐特尔说。“细菌可以使用受体来确定氧气或营养物质浓度增加的方向，并且这种信息会触发朝着期望方向的运动。这被称为趋化性运动。”

多细胞生物体具有神经细胞的相互连接，而单细胞生物体没有神经细胞。因此，它们只能在细胞内进行简单的处理步骤。

“为了解释这一点，你需要一个现实的、物理的模型来描述这些单细胞生物体的运动，”佐特尔说。“我们选择了最简单的模型，它在第一时间允许在流体中独立运动。我们的单细胞生物体由三个通过简化的肌肉连接的质量组成。问题是：这些肌肉可以协调以使整个生物体朝着期望的方向移动吗？最重要的是：这个过程可以以简单的方式实现，还是需要复杂的控制？”

实现计算机模型

本尼迪克特·哈特尔（Benedikt Hartl）在计算机上实现了该模型。

“即使单细胞生物体没有神经细胞网络，连接其‘感官印象’与其运动的逻辑步骤也可以用数学方法描述，就像神经网络一样，”哈特尔说。

单细胞生物体具有细胞内不同元素之间的逻辑连接，运动发生在化学信号被触发时。

马克西米利安·胡布尔（Maximilian Hübl）完成了研究中的部分计算。

“这些元素及其相互影响被模拟在计算机上，并使用遗传算法进行调整：一代又一代，虚拟单细胞生物体的运动策略被稍微改变，”胡布尔报告说。

当单细胞生物体成功地将其运动方向到期望的化学物质时，它们被允许“繁殖”，而那些没有“繁殖”的则“灭绝”。经过许多世代，发生了一种进化，出现了一个控制网络。这个网络使虚拟单细胞生物体能够将化学感知转化为有针对性的运动，并且它以简单的基本电路实现了这一点。

“你不应该把它想象成一个高级动物，它有意识地感知某些东西然后朝着它跑去，”佐特尔说。“它更像是一种随机的摇晃运动。但最终，它在平均上朝着正确的方向移动。这种现象正是你在自然界中观察到的单细胞生物体的行为。”