Как одноклеточные организмы достигают своих жизненных целей

Исследователи из TU Wien (Вена) с помощью искусственного интеллекта и физической модели объяснили, как простейшие существа без мозга или нервной системы способны целенаправленно двигаться, например, к источнику пищи.

Хемотаксис: Движение туда, где "правильная" химия

Одноклеточные организмы, такие как бактерии, используют рецепторы, чтобы определить направление, в котором увеличивается концентрация питательных веществ или кислорода. Эта информация запускает движение в желаемом направлении — процесс, известный как хемотаксис.

До сих пор было неясно, как такая простая система может связывать сенсорные впечатления (например, от химических датчиков) с целенаправленной двигательной активностью.

Физическая модель и искусственный интеллект

Команда под руководством Андреаса Цёттля создала максимально простую физическую модель одноклеточного организма для движения в жидкости:

• Организм состоит из трёх масс, соединённых упрощёнными "мышцами".
• Среда моделировалась как жидкость с неоднородным химическим составом и неравномерно распределёнными источниками пищи.

Логические шаги, связывающие "ощущения" организма с его движением, были описаны математически, подобно нейронной сети. Затем с помощью машинного обучения (генетического алгоритма) способ обработки информации виртуальным существом оптимизировался на протяжении многих "эволюционных" поколений.

Результат эволюции в модели

• Виртуальные организмы, наиболее успешно направлявшие движение к нужным химическим веществам, "размножались".
• Менее успешные варианты "вымирали".
• В результате, после многих поколений, сформировалась простая управляющая сеть, способная преобразовывать химические восприятия в целенаправленное движение с помощью базовых "схем".

"Не стоит думать об этом как о высокоразвитом животном, которое сознательно что-то воспринимает и бежит к этому, — говорит Андреас Цёттль. — Это скорее случайное шатающееся движение. Но такое, которое в среднем приводит в правильном направлении. И это именно то, что наблюдается у одноклеточных организмов в природе".

Исследование, опубликованное в журнале PNAS, доказывает, что для реализации сложных на вид паттернов движения достаточно минимальной сложности управляющей сети, если правильно учитывать физические условия.