Как природа самоорганизуется: от клеток мозга до экосистем
Новое исследование профессора MIT Илы Фиете показывает, что модульная организация в природе — от нейронных сетей до экосистем — может возникать спонтанно благодаря простому математическому принципу.
Ключевой принцип: выбор пика
Учёные предложили модель peak selection (выбор пика). Она объясняет, как модули с чёткими границами возникают при сочетании двух факторов:
- Плавного градиента (например, химического или температурного).
- Локальных конкурентных взаимодействий между элементами системы.
Это позволяет биологическим системам самоорганизовываться в чёткие модули без детальных «сверху вниз» инструкций.
Модульность в мозге: пример grid-клеток
Исследователи протестировали модель на grid-клетках, которые критически важны для навигации и памяти. Эти клетки организованы в отдельные модули, каждый из которых картографирует пространство в своём масштабе.
Модель показывает: постепенное изменение свойств клеток вдоль одного измерения мозга в сочетании с локальными нейронными взаимодействиями может объяснить формирование всей модульной структуры. Клетки естественным образом сортируются в группы с чёткими границами без внешних карт или генетических программ.
«Наша работа объясняет, как могли возникнуть модули grid-клеток. Объяснение склоняет чашу весов в сторону возможности самоорганизации», — отмечает Микаил Хона, соавтор исследования.
Модульность в природе: экосистемы
Тот же принцип работает за пределами нейронауки. В экосистемах плавные градиенты температуры и осадков в сочетании с локальной конкуренцией, кооперацией и хищничеством между видами создают чёткие границы и формируют экологические «районы» — кластеры видов.
Устойчивость и предсказания модели
Одно из ключевых открытий: модульность в таких системах устойчива. При изменении размера системы количество модулей остаётся прежним — они просто масштабируются. Это означает, что мозг мыши и человека могут использовать одни и те же фундаментальные правила для формирования навигационных цепей.
Модель также делает проверяемые предсказания:
- В мозге модули grid-клеток должны следовать простым соотношениям расстояний.
- В экосистемах распределение видов должно формировать отдельные кластеры даже без резких изменений окружающей среды.
«Peak selection может информировать будущие эксперименты не только в исследованиях grid-клеток, но и во всей биологии развития», — отмечает Ила Фиете.
Исследование опубликовано в журнале Nature.