I ricercatori simulano il movimento di organismi unicellulari
Un gruppo di ricerca presso la TU Wien (Vienna) ha simulato con successo il processo di organismi unicellulari che si muovono nella direzione desiderata nonostante non abbiano un cervello o un sistema nervoso. Prima dei nuovi sviluppi, i ricercatori non erano sicuri di come i piccoli organismi fossero capaci di un simile processo.
Il team ha calcolato l’interazione fisica tra un semplice organismo modello e il suo ambiente, essendo quest’ultimo un liquido con una composizione chimica non uniforme contenente fonti di cibo distribuite in modo non uniforme.
La ricerca è stata pubblicata sulla rivista PNAS .
L’organismo simulato
I ricercatori hanno dotato l’organismo simulato della capacità di elaborare i dati sul suo cibo e sull’ambiente. Facendo affidamento su un algoritmo di apprendimento automatico, l’elaborazione delle informazioni potrebbe essere modificata e ottimizzata in fasi evolutive. Ciò significa che i ricercatori hanno sviluppato un organismo informatico in grado di muoversi e cercare cibo simile agli organismi della vita reale.
Andreas Zöttl ha guidato il progetto di ricerca presso l’Istituto di Fisica Teorica della TU Wien.
“A prima vista, è sorprendente che un modello così semplice possa risolvere un compito così difficile”, afferma Zöttl. “I batteri possono utilizzare i recettori per determinare in quale direzione, ad esempio, la concentrazione di ossigeno o di nutrienti sta aumentando, e questa informazione innesca quindi un movimento nella direzione desiderata. Questa si chiama chemiotassi. ”
Mentre gli organismi multicellulari hanno un’interconnessione di cellule nervose, gli organismi unicellulari non hanno cellule nervose. Per questo motivo, possono eseguire solo semplici passaggi di elaborazione all’interno della cella.
” Per essere in grado di spiegare questo, è necessario un modello fisico realistico per il movimento di questi organismi unicellulari”, afferma Zöttl. “In primo luogo abbiamo scelto il modello più semplice possibile che fisicamente consenta un movimento indipendente in un fluido. Il nostro organismo unicellulare è costituito da tre masse collegate da muscoli semplificati. Sorge ora la domanda: questi muscoli possono essere coordinati in modo tale che l’intero organismo si muova nella direzione desiderata? E soprattutto: questo processo può essere realizzato in modo semplice o richiede un controllo complicato? “
Implementazione del modello di computer
Benedikt Hartl è stato colui che ha implementato il modello sul computer.
“Anche se l’organismo unicellulare non dispone di una rete di cellule nervose, i passaggi logici che collegano le sue” impressioni sensoriali “al suo movimento possono essere descritti matematicamente in modo simile a una rete neuronale”, afferma Hartl.
Gli organismi unicellulari hanno connessioni logiche tra diversi elementi della cellula e il movimento ha luogo quando vengono attivati segnali chimici.
Maximilian Hübl ha completato molti dei calcoli nella ricerca.
“Questi elementi e il modo in cui si influenzano a vicenda sono stati simulati al computer e regolati con un algoritmo genetico: generazione dopo generazione, la strategia di movimento degli organismi unicellulari virtuali è stata leggermente modificata”, riferisce Hübl.
Quando gli organismi unicellulari sono riusciti a dirigere il loro movimento verso le sostanze chimiche desiderate, sono stati autorizzati a “riprodursi”, mentre quelli che non si sono “estinti”. Dopo aver attraversato molte generazioni, si è verificata una sorta di evoluzione ed è emersa una rete di controllo. Questa rete ha consentito a un organismo unicellulare virtuale di convertire le percezioni chimiche in movimenti mirati, e lo fa in modo semplice e con circuiti di base.
“Non dovresti pensarlo come un animale altamente sviluppato che percepisce consapevolmente qualcosa e poi corre verso di esso”, dice Zöttl. “È più simile a un movimento oscillante casuale. Ma che alla fine porta in media nella giusta direzione. Ed è esattamente ciò che osservi con gli organismi unicellulari in natura “.
