PG padeda paaiškinti, kaip vienaląsčiai organizmai juda norima kryptimi be smegenų

Vienaląstis organizmas gali nustatyti, kuria kryptimi maistinių medžiagų koncentracija yra didžiausia. Kreditas: TU Viena

Kaip paprastiems padarams pavyksta persikelti į konkrečią vietą? Dirbtinis intelektas ir fizinis „TU Wien“ modelis dabar gali tai paaiškinti.

Kaip įmanoma judėti norima kryptimi be smegenų ar nervų sistemos? Atrodo, kad vienaląsčiams organizmams be vargo pavyksta pasiekti šį žygdarbį: pavyzdžiui, jie gali plaukti maisto kryptimi naudodami mažus vėliavas.

Kaip šiems itin paprastiems padarams tai pavyksta, iki šiol nebuvo visiškai aišku. Tačiau „TU Wien“ (Viena) mokslininkų komanda sugebėjo imituoti šį procesą kompiuteryje: jie apskaičiavo fizinę labai paprasto organizmo ir jo aplinkos sąveiką. Ši aplinka yra nevienodos cheminės sudėties skystis, joje yra netolygiai pasiskirstę maisto šaltiniai.

Imituotas organizmas turėjo galimybę labai paprastai apdoroti informaciją apie maistą savo aplinkoje. Naudojant mašininio mokymosi algoritmą, virtualios būtybės informacijos apdorojimas buvo pritaikytas ir optimizuotas daugeliu evoliucinių žingsnių. Rezultatas buvo kompiuterinis organizmas, kuris ieškodamas maisto juda labai panašiai kaip biologiniai analogai.

Chemotaksis: visada eik ten, kur chemija tinkama

„Iš pirmo žvilgsnio stebina, kad toks paprastas modelis gali išspręsti tokią sunkią užduotį“, – sako Andras Zöttl, vadovavęs tyrimo projektui, kuris buvo atliktas grupėje „Minkštosios medžiagos teorija“ (vadovaujamas Gerhard Kahl) TU Vienos teorinės fizikos institute. Bakterijos gali naudoti receptorius, kad nustatytų, kuria kryptimi, pavyzdžiui, didėja deguonies ar maistinių medžiagų koncentracija, ir ši informacija sukelia judėjimą norima kryptimi. Tai vadinama chemotaksija. “

Kitų daugialąsčių organizmų elgesį galima paaiškinti nervų ląstelių tarpusavio ryšiu. Tačiau vienaląsčiai organizmai neturi nervinių ląstelių – šiuo atveju galimi tik labai paprasti ląstelės apdorojimo žingsniai. Iki šiol nebuvo aišku, kaip tokio mažo sudėtingumo laipsnio pakaks susieti paprastus jutiminius įspūdžius, pavyzdžiui, apie cheminius jutiklius, su nukreiptu variklio aktyvumu.

„Kad galėtumėte tai paaiškinti, jums reikia realistiško, fizinio šių vienaląsčių organizmų judėjimo modelio“, – sako Andreasas Zöttlas. „Mes pasirinkome paprasčiausią įmanomą modelį, kuris pirmiausia leidžia fiziškai savarankiškai judėti skysčiu. Mūsų vienaląstis organizmas susideda iš trijų masių, sujungtų supaprastintais raumenimis. Dabar kyla klausimas: ar šiuos raumenis galima koordinuoti, kad visas organizmas judėtų norima kryptimi? Ir svarbiausia: ar šį procesą galima realizuoti paprastai, ar tam reikia sudėtingos kontrolės? “

Mažas signalų ir komandų tinklas

„Net jei vienaląsčio organizmo organizme nėra nervinių ląstelių tinklo, loginius žingsnius, jungiančius„ juslinius įspūdžius “su jo judesiu, galima matematiškai apibūdinti panašiai kaip nervų tinklą“, – sako Benediktas Hartlas, kuris naudojosi savo patirtimi. . dirbtiniame intelekte įdiegti modelį kompiuteryje. Taip pat vienaląsčiame organizme yra loginiai ryšiai tarp skirtingų ląstelės elementų. Cheminiai signalai suaktyvėja ir galiausiai sukelia tam tikrą organizmo judėjimą.

“Šie elementai ir tai, kaip jie veikia vienas kitą, buvo imituojami kompiuteryje ir pritaikyti genetiniam algoritmui: karta po kartos, virtualių vienaląsčių organizmų judėjimo strategija šiek tiek pasikeitė”, – praneša Maximilianas Hüblas, atlikęs daugybę skaičiavimų. šią temą. kaip magistro darbo dalį. Tie vienaląsčiai organizmai, kurie geriausiai sugebėjo nukreipti savo judėjimą ten, kur buvo norimos cheminės medžiagos, galėjo „daugintis“, o mažiau sėkmingi variantai „išnyko“. Tokiu būdu po daugelio kartų atsirado valdymo tinklas, labai panašus į biologinę evoliuciją, leidžiantis virtualiam vienaląsčiam organizmui paversti cheminį suvokimą itin paprastu būdu ir taikant labai pagrindines grandines tiksliniame judesyje.

Atsitiktinis svyruojantis judesys, bet turintis konkretų tikslą

„Nereikėtų to laikyti labai išvystytu gyvūnu, kuris sąmoningai kažką stebi, o paskui pribėga prie jo“, – sako Andreasas Zöttlas. “Tai daugiau kaip atsitiktinis klibantis judesys. Tačiau tas, kuris galiausiai vidutiniškai veda teisinga linkme. Tai yra būtent tai, ką jūs stebite su vienaląsčiais organizmais gamtoje. “

Neseniai žinomame žurnale „PNAS“ paskelbtos kompiuterinės simuliacijos ir algoritminės koncepcijos įrodo, kad norint įgyvendinti gana sudėtingus judesių modelius, pakanka minimalaus valdymo tinklo sudėtingumo. Jei teisingai atsižvelgiama į fizines sąlygas, pakanka nepaprastai paprastos vidinės mašinos, kad būtų tiksliai atkurti iš gamtos žinomi judesiai.

Nuoroda: Benedikt Hartl, Maximilian Hübl, Gerhard Kahl ir Andreas Zöttl, „2021 m. Gegužės 11 d.„ Mikro plaukikai mokosi chemotakcijos su genetiniais algoritmais “, Nacionalinės mokslų akademijos darbai.
DOI: 10.1073 / pnas.2019683118

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Naujasis „Ultrathin Liquid Liquid Crystal Metalens“ siūlo elektrinį padidinimą

Cornell հայ „Samsung“ inžinierių sukurtas ultragarso, elektra valdomų metalų konceptualus perteikimas. Paskola Danieliui Schilkinui Kornelio taikomosios inžinerijos mokyklos tyrėjai's „Samsung“ pirmaujantis technologijų institutas sukūrė...

Naujos keistų, išnykusių driežų rūšys – tokios keistos, kad buvo neteisingai identifikuotos kaip dinozauras su kolibriu

„Oculudentavis naga“, kaip pavaizduota šio menininko rekonstrukcijoje, buvo keistas driežas, kurį tyrėjai iš pradžių sunkiai skirstė į kategorijas. Jie vis dar nėra tikri...

Kavos mėgėjai, mėgaukitės! Gausus kavos vartojimas susijęs su sumažėjusia širdies nepakankamumo rizika

Tyrimo ataskaita: Išanalizavus tris pagrindinius širdies ligų tyrimus nustatyta, kad geriant vieną ar daugiau kavos su kofeinu puodelių buvo sumažinta širdies nepakankamumo rizika. Kavos be kofeino...

Atominė dalelė paversta antiteze ir pirmą kartą atvirkštinė nepaprasto eksperimento metu.

Fizikų komanda, įskaitant Warwick universitetą, įrodė, kad subatominės dalelės gali virsti ego antagonistais ir vėl grįžti į naują atradimą, ką tik atskleistą praėjusią savaitę. „Šis...

36 Nykštukų galaktikos kartu buvo „Naujųjų žvaigždžių kūdikių bumas“

„Rutgers“ išvados nėra skirtos ginčyti dabartinių idėjų apie galaktikų atsiradimą ir gali padidinti mūsų supratimą apie visatą. Kreditas: Rutgerso universitetas, Naujasis Bransvikas Stebina tai, kaip...

Newsletter

Subscribe to stay updated.