«Люди все больше интересуются Физарумом, потому что у него нет мозга, но он все еще может выполнять множество действий, которые мы ассоциируем с мышлением, например, решение лабиринтов, изучение новых вещей и прогнозирование событий», – сказал первый автор Нироша Муруган. , бывший член Центра открытий Аллена, ныне доцент Университета Алгомы в Онтарио, Канада. "Выяснение того, как протоинтеллектуальная жизнь справляется с вычислениями этого типа, дает нам больше информации об основах познания и поведения животных, включая наши собственные."
Слизистое действие на расстоянии
Слизневые плесени – это организмы, похожие на амебы, которые могут вырастать до нескольких футов в длину и помогают расщеплять разлагающиеся вещества в окружающей среде, такие как гниющие бревна, мульча и мертвые листья. Одно существо Physarum состоит из мембраны, содержащей множество клеточных ядер, плавающих в общей цитоплазме, создавая структуру, называемую синцитием.
Physarum движется, перемещая свою водянистую цитоплазму взад и вперед по всей длине тела регулярными волнами – уникальный процесс, известный как челночный поток.
"У большинства животных мы не видим, что меняется внутри мозга, когда животное принимает решения. Physarum предлагает действительно захватывающие научные возможности, потому что мы можем наблюдать за его решениями о том, куда двигаться в режиме реального времени, наблюдая, как изменяется поведение его шаттла в потоковом режиме ", – сказал Муруган. Хотя предыдущие исследования показали, что Physarum движется в ответ на химические вещества и свет, Муруган и ее команда хотели знать, может ли он принимать решения о том, куда двигаться, основываясь только на физических сигналах окружающей среды.
Исследователи поместили образцы Physarum в центр чашек Петри, покрытых полугибким агаровым гелем, и поместили один или три небольших стеклянных диска рядом друг с другом поверх геля с противоположных сторон каждой чашки. Затем они позволили организмам свободно расти в темноте в течение 24 часов и отслеживали закономерности их роста. В течение первых 12–14 часов Physarum рос наружу равномерно во всех направлениях; после этого, однако, образцы вытягивали длинную ветвь, которая росла прямо над поверхностью геля в направлении трехдисковой области в 70% случаев.
Примечательно, что Physarum решил расти в сторону большей массы без предварительного физического исследования местности, чтобы подтвердить, что он действительно содержит более крупный объект.
Как он смог исследовать окрестности до того, как физически туда попал?? Ученые были полны решимости выяснить.
Все относительно
Исследователи экспериментировали с несколькими переменными, чтобы увидеть, как они влияют на решения Physarum о росте, и заметили кое-что необычное: когда они складывали одни и те же три диска друг на друга, организм, казалось, терял способность различать три диска и один диск. Он рос по направлению к обеим сторонам тарелки примерно с одинаковой скоростью, несмотря на то, что три сложенных друг на друга диска все еще имели большую массу.
Ясно, что Physarum использовал еще один фактор помимо массы, чтобы решить, где выращивать.
Чтобы разгадать недостающий фрагмент головоломки, ученые использовали компьютерное моделирование, чтобы создать симуляцию своего эксперимента, чтобы изучить, как изменение массы дисков повлияет на величину напряжения (силы) и деформации (деформации), приложенной к полу- гибкий гель и прикрепленный растущий Физарум.
Как они и ожидали, большие массы увеличивали степень деформации, но моделирование показало, что характер деформации, создаваемой массами, изменяется в зависимости от расположения дисков.
"Представьте, что вы едете по шоссе ночью и ищете город, в котором можно остановиться. Вы видите два разных расположения света на горизонте: одну яркую точку и группу менее ярких точек.
Хотя одна точка ярче, группа точек освещает более широкую область, которая с большей вероятностью указывает на город, и вы направляетесь туда », – сказал соавтор Ричард Новак, доктор философии.D., ведущий инженер штата Висс Институт. "Образцы света в этом примере аналогичны образцам механической деформации, создаваемой различным расположением массы в нашей модели. Наши эксперименты подтвердили, что Physarum может их физически ощущать и принимать решения, основываясь на паттернах, а не просто на интенсивности сигнала."
Исследование команды показало, что это безмозглое существо не просто росло к самому тяжелому, что могло ощутить – оно принимало расчетное решение о том, где расти, на основе относительных паттернов напряжения, которые оно обнаружило в своей среде.
Но как он обнаруживал эти модели деформации??
Ученые подозревали, что это связано со способностью Physarum ритмично сокращаться и тянуть свой субстрат, потому что пульсация и восприятие возникающих в результате изменений в деформации субстрата позволяют организму получать информацию об окружающей среде. У других животных в клеточных мембранах есть специальные канальные белки, называемые TRP-подобными белками, которые обнаруживают растяжение, и соавтор и директор-основатель Wyss Institute Дональд Ингбер, М.D., Ph.D ранее показал, что один из этих белков TRP опосредует механочувствительность в клетках человека. Когда команда создала сильнодействующее лекарство, блокирующее каналы TRP, и применила его к Physarum, организм потерял способность различать высокую и низкую массу, выбирая только область высокой массы в 11% испытаний и выбирая как высокую, так и низкую. -массовые регионы в 71% исследований.
"Наше открытие использования этой слизистой плесени биомеханики для исследования окружающей среды и реакции на нее подчеркивает, насколько рано эта способность появилась у живых организмов и насколько тесно связаны интеллект, поведение и морфогенез. В этом организме, который растет, чтобы взаимодействовать с миром, изменение его формы – это его поведение. Другое исследование показало, что аналогичные стратегии используются клетками более сложных животных, включая нейроны, стволовые клетки и раковые клетки. Эта работа в Physarum предлагает новую модель для изучения способов, которыми эволюция использует физику для реализации примитивного познания, которое управляет формой и функциями », – сказал автор-корреспондент Майк Левин, доктор философии.D., Ассоциированный член факультета Висса, который также является председателем Ванневара Буша и является директором Центра открытий Аллена в Университете Тафтса.
Исследовательская группа продолжает свою работу над Physarum, в том числе выясняет, в какой момент времени он принимает решение переключить свою модель роста с обобщенного отбора проб окружающей среды на направленный рост по направлению к цели. Они также изучают, как другие физические факторы, такие как ускорение и перенос питательных веществ, могут повлиять на рост и поведение Physarum.
«Это исследование еще раз подтверждает, что механические силы играют такую же важную роль в контроле поведения и развития клеток, как химические вещества и гены, и процесс механочувствительности, обнаруженный в этом простом безмозглом организме, удивительно похож на то, что наблюдается у всех видов, включая люди ", сказал Ингбер. «Таким образом, более глубокое понимание того, как организмы используют биомеханическую информацию для принятия решений, поможет нам лучше понять наши собственные тела и мозг и, возможно, даже даст представление о новых формах вычислений, основанных на биоинспектировании.«Ингбер также является профессором биологии сосудов Гарвардской медицинской школы и Бостонской детской больницы Джуды Фолкман, а также профессором биоинженерии в Гарварде.
Школа инженерии и прикладных наук Полсона.