Как микроорганизмы без сложной нервной системы плавают в жидкостях
Бактерии, амёбы и даже клетки крови способны целенаправленно двигаться в жидкостях, несмотря на крайне простые структуры без центральной системы управления (например, мозга). Как это объяснить?
Команда из TU Wien, Венского университета и Университета Тафтса (США) смоделировала этот тип движения на компьютере и показала, что плавательные движения возможны даже без центрального блока управления. Это не только объясняет поведение микроорганизмов, но и может позволить наноботам двигаться целенаправленно, например, для доставки лекарств в нужное место в организме.
Успех без центральной системы управления
«Простые микроорганизмы можно представить состоящими из нескольких частей, как цепочка бусин», — говорит Бенедикт Хартл из Института теоретической физики TU Wien и Центра Аллена при Университете Тафтса, ведущий автор исследования, опубликованного в Communications Physics.
«Отдельные части могут двигаться относительно друг друга. Мы хотели выяснить, при каких условиях это приводит к движению, заставляющему весь организм двигаться в желаемом направлении».
Это относительно просто, если есть центральная система управления — что-то вроде мозга или хотя бы нервного центра. Такой центр может отдавать конкретные команды отдельным частям. Легко понять, как это может привести к скоординированному движению.
Но одноклеточный организм, естественно, не имеет нервных клеток, центральной системы обработки, которая могла бы отдавать команды. Как в этом случае может возникнуть скоординированное плавательное движение? Если отдельные части микроорганизма ведут себя по очень простым правилам, может ли это привести к коллективному поведению, обеспечивающему эффективное плавание?
Моделирование микроорганизмов на компьютере
Этот вопрос исследовали с помощью компьютерного моделирования: микроорганизмы были представлены как цепочки соединённых бусин. Каждая из этих бусин может прилагать силу влево или вправо, но каждая бусина знает только положение своих непосредственных соседей. Нет информации об общем состоянии организма или о бусинах, находящихся дальше.
«Ключевой вопрос: существует ли система управления, набор простых правил, стратегия поведения, которой может следовать каждая бусина индивидуально, чтобы возникло коллективное плавательное движение — без какого-либо центрального блока управления?» — говорит Хартл.
На компьютере отдельные бусины — смоделированные части виртуального микроорганизма — были оснащены очень простой формой искусственного интеллекта, крошечной нейронной сетью всего с 20–50 параметрами, объясняет Хартл. «Термин "нейронная сеть" здесь, возможно, несколько вводит в заблуждение; конечно, у одноклеточного организма нет нейронов.
Но такие простые системы управления могут быть реализованы внутри клетки, например, с помощью очень простых физико-химических цепей, которые заставляют определённую область микроорганизма выполнять конкретное движение».
Эта простая децентрализованная система управления была адаптирована для компьютера в поисках наиболее эффективного возможного «управляющего кода», обеспечивающего наилучшее плавательное поведение. С каждой версией этой системы управления виртуальному микроорганизму позволяли плавать в смоделированной вязкой жидкости.
«Мы смогли показать, что этот чрезвычайно простой подход достаточен для получения высоко надёжного плавательного поведения», — говорит Хартл. «Хотя наша система не имеет центрального управления и каждый сегмент виртуального микроорганизма ведёт себя по очень простым правилам, общий результат — сложное поведение, достаточное для эффективного передвижения».
Биология и технология
Этот результат интересен не только потому, что объясняет сложное поведение очень простых биологических систем, но и может быть полезен для искусственно созданных наноботов. «Это означает, что можно также создавать искусственные структуры, способные выполнять сложные задачи с очень простым программированием», — говорит Андреас Цёттль (Венский университет).
«Можно представить, например, создание наноботов, которые активно ищут нефтяные загрязнения в воде и помогают их удалять. Или даже медицинских наноботов, которые автономно перемещаются к определённым местам в организме, чтобы высвободить лекарство целенаправленно».