AI ajută la explicarea modului în care se mișcă organismele cu o singură celulă în direcția dorită fără creier

Organismul unicelular poate detecta, în ce direcție concentrația de nutrienți este cea mai mare. Credit: TU Wien

Cum reușesc creaturile simple să se mute într-un anumit loc? Inteligența artificială și un model fizic de la TU Wien pot explica acum acest lucru.

Cum este posibil să vă mișcați în direcția dorită fără creier sau sistem nervos? Aparent, organismele unicelulare controlează acest sport fără probleme: de exemplu, pot înota spre mâncare cu ajutorul cozilor de steag mici.

Modul în care aceste creaturi foarte simple au reușit să facă acest lucru nu a fost complet clar până acum. Cu toate acestea, o echipă de cercetători de la TU Wien (Viena) a reușit acum să simuleze acest proces pe computer: au calculat interacțiunea fizică dintre un organism model foarte simplu și mediul său. Acest mediu este fluid cu o compoziție chimică neuniformă, conține surse de hrană distribuite inegal.

Organismul simulat avea capacitatea de a procesa informații despre alimente în mediul său într-un mod foarte simplu. Cu ajutorul algoritmului de învățare automată, procesarea informațiilor virtuale a fost modificată și optimizată în mai multe etape evolutive. Rezultatul a fost un organism computerizat care se mișcă în căutarea hranei în același mod ca omologul său biologic.

Chimiotaxie: Mergeți întotdeauna acolo unde chimia este corectă

„La prima vedere, este surprinzător faptul că un model atât de simplu poate rezolva o sarcină atât de dificilă”, a spus Andras Zöttl, care a condus proiectul de cercetare, realizat în cadrul grupului „Teoria materiei moi” (condus de Gerhard Kahl) din Institut. de fizică teoretică la TU Wien. „Bacteriile pot utiliza receptori pentru a determina direcția în care, de exemplu, crește concentrația de oxigen sau nutrienți, iar aceste informații declanșează apoi o mișcare în direcția dorită. Aceasta se numește chimiotaxie. ”

Comportamentul altor organisme multicelulare poate fi explicat prin interconectarea celulelor nervoase. Dar un organism unicelular nu are celule nervoase – în acest caz, sunt posibile doar etape de procesare extrem de simple în celulă. Până acum, nu era clar cum o astfel de complexitate scăzută ar putea fi suficientă pentru a lega impresiile senzoriale simple – de exemplu senzorii chimici – cu activitatea motorie vizată.

„Pentru a putea explica acest lucru, aveți nevoie de un model fizic realist pentru mișcarea acestor organisme unicelulare”, spune Andreas Zöttl. „Am ales cel mai simplu model posibil care permite mișcarea independentă a fluidelor în primul rând. Organismul nostru unicelular este format din trei mase legate de mușchi mai simpli. Acum apare întrebarea: acești mușchi pot fi coordonați în așa fel încât întregul organism să se miște în direcția dorită? Și mai ales: acest proces poate fi realizat simplu sau necesită o gestionare complexă? ”

O mică rețea de semnale și comenzi

„Chiar dacă organismul unicelular nu are o rețea de celule neuronale – pașii logici care leagă„ impresiile sale senzoriale ”de mișcarea sa pot fi descriși matematic într-un mod similar cu o rețea de neuroni”, spune Benedikt Hartl și a folosit expertiză. în inteligența artificială pentru a implementa modelul pe computer. Și în organismul unicelular există conexiuni logice între diferitele componente ale celulei. Semnalele chimice sunt declanșate și duc în cele din urmă la o mișcare specifică a organismului.

„Aceste elemente și modul în care se influențează reciproc au fost simulate și modificate de computer cu un algoritm genetic: generație după generație, strategia de mișcare a organismelor unicelulare virtuale s-a schimbat ușor”, spune Maximilian Hübl, despre care s-au calculat multe dintre calcule. acest subiect ca parte a tezei sale de masterat. Acelor organisme unicelulare care au fost cel mai capabile să-și direcționeze mișcarea au fost lăsați acolo unde „s-au reprodus” substanțele chimice dorite, în timp ce variantele mai puțin reușite „au dispărut”. În acest fel, după multe generații, a apărut o rețea de control – la fel ca evoluția biologică – care permite unui organism unicelular virtual să transforme descoperirile chimice în mișcări vizate într-un mod foarte simplu și cu circuite foarte elementare.

Roaming de mișcare aleatorie – dar cu un obiectiv definit

„Nu ar trebui să te gândești la el ca la un animal foarte dezvoltat care găsește în mod conștient ceva și apoi aleargă spre el”, spune Andreas Zöttl. „Este mai degrabă o organizație de roaming aleatoriu. Dar una care în cele din urmă conduce în direcția corectă în medie. Și exact asta observați cu organismele unicelulare. ”

Simulările de calcul și conceptele algoritmice publicate recent în celebrul jurnal PNAS demonstrează că o complexitate precum rețeaua de control este suficientă pentru a implementa modele de mișcare relativ complexe. Dacă condițiile fizice sunt considerate corecte, atunci un mecanism intern remarcabil de simplu este suficient pentru a reproduce în model acele mișcări exacte cunoscute de natură.

Referință: „Microswimmers învață chemotaxia cu algoritmi genetici” de Benedikt Hartl, Maximilian Hübl, Gerhard Kahl și Andreas Zöttl, 11 mai 2021, Lucrările Academiei Naționale de Științe.
DOI: 10.1073 / pnas.2019683118

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Inginerii dezvoltă o nouă tehnologie de tratare a apei care ar putea ajuta și exploratorii Marte

Un catalizator care distruge percloratul din apă poate curăța solul marțian. O echipă condusă de ingineri de la Universitatea din California Riverside a dezvoltat un...

Dezechilibrul energetic al Pământului s-a dublat

Faceți clic pe imaginea pentru a anima: Comparația estimărilor anuale suprapuse la intervale de 6 luni ale fluxului anual net de energie în atmosfera...

Modul în care celulele folosesc „pungile pentru gunoi” pentru a-și transporta deșeurile de reciclare

Descoperirile pot avea implicații importante pentru înțelegerea bolilor legate de vârstă. Oamenii de știință de la Sanford Burnham Prebys au obținut o perspectivă mai profundă...

Cercetătorii iau distribuția cheii cuantice din laborator

Dovezile pe teren arată că simpla funcționare a sistemului DCC cu rețeaua de telecomunicații existentă în Italia. Într-un nou studiu, cercetătorii au demonstrat un sistem...

Știința simplificată: ce sunt rețelele cuantice?

din Departamentul Energiei din SUA 17 iunie 2021 Părțile interesate din guvern, laboratoare naționale, universități și industrie s-au alăturat DOE Internet Quantum Project Workshop pentru a...

Newsletter

Subscribe to stay updated.