Как этим чрезвычайно просто сложенным существам удается это делать, до сих пор было не совсем ясно. Однако исследовательская группа из TU Wien (Вена) теперь смогла смоделировать этот процесс на компьютере: они рассчитали физическое взаимодействие между очень простой моделью организма и его окружающей средой. Эта среда представляет собой жидкость с неоднородным химическим составом, она содержит источники пищи, которые распределены неравномерно.

Смоделированный организм был оснащен способностью обрабатывать информацию о пище в окружающей среде очень простым способом. С помощью алгоритма машинного обучения обработка информации виртуального существа была затем модифицирована и оптимизирована на многих эволюционных этапах. В результате получился компьютерный организм, который движется в поисках пищи очень похожим образом на своих биологических собратьев.

Хемотаксис: всегда происходит там, где химия правильная

"На первый взгляд удивительно, что такая простая модель может решить такую сложную задачу", - говорит Андрас Зеттл, возглавлявший исследовательский проект, который проводился в группе "Теория мягкой материи" (возглавляемой Герхардом Калем) в Институте теоретической физики в Венском университете. "Бактерии могут использовать рецепторы, чтобы определить, в каком направлении, например, увеличивается концентрация кислорода или питательных веществ, и эта информация затем запускает движение в желаемом направлении. Это называется хемотаксисом."

Поведение других многоклеточных организмов может быть объяснено взаимосвязью нервных клеток. Но у одноклеточного организма нет нервных клеток - в этом случае внутри клетки возможны только чрезвычайно простые этапы обработки. До сих пор было неясно, как такая низкая степень сложности может быть достаточной для соединения простых сенсорных впечатлений - например, от химических датчиков - с целенаправленной двигательной активностью.

"Чтобы иметь возможность объяснить это, вам нужна реалистичная физическая модель движения этих одноклеточных организмов", - говорит Андреас Зеттл. "Мы выбрали самую простую из возможных моделей, которая физически допускает независимое движение в жидкости в первую очередь. Наш одноклеточный организм состоит из трех масс, соединенных упрощенными мышцами. Теперь возникает вопрос: могут ли эти мышцы быть скоординированы таким образом, чтобы весь организм двигался в желаемом направлении? И прежде всего: может ли этот процесс быть реализован простым способом или он требует сложного контроля?"

Небольшая сеть сигналов и команд

"Даже если у одноклеточного организма нет сети нервных клеток, логические шаги, которые связывают его "сенсорные впечатления" с его движением, могут быть описаны математически аналогично нейронной сети", - говорит Бенедикт Хартл, который использовал свой опыт в области искусственного интеллекта для реализации модели на компьютере. В одноклеточном организме тоже существуют логические связи между различными элементами клетки. Запускаются химические сигналы, которые в конечном итоге приводят к определенному движению организма.

"Эти элементы и то, как они влияют друг на друга, были смоделированы на компьютере и скорректированы с помощью генетического алгоритма: поколение за поколением стратегия движения виртуальных одноклеточных организмов слегка менялась", - сообщает Максимилиан Хюбл, который провел многие расчеты по этой теме в рамках своей магистерской диссертации. Тем одноклеточным организмам, которые лучше всего преуспели в направлении своего движения туда, где находились нужные химические вещества, было позволено "размножаться", в то время как менее успешные варианты "вымерли". Таким образом, после многих поколений появилась управляющая сеть - очень похожая на биологическую эволюцию - которая позволяет виртуальному одноклеточному организму преобразовывать химические восприятия в целенаправленное движение чрезвычайно простым способом и с помощью очень простых схем.

Случайное колебательное движение - но с конкретной целью

"Вы не должны думать о нем как о высокоразвитом животном, которое сознательно воспринимает что-то, а затем бежит к этому", - говорит Андреас Зеттл. "Это больше похоже на случайное колебательное движение. Но тот, который в конечном счете ведет в среднем в правильном направлении. И это именно то, что вы наблюдаете с одноклеточными организмами в природе".

Компьютерное моделирование и алгоритмические концепции, недавно опубликованные в известном журнале PNAS докажите, что минимальная степень сложности управляющей сети действительно достаточна для реализации относительно сложных моделей движения. Если физические условия приняты во внимание правильно, то удивительно простого внутреннего механизма достаточно, чтобы воспроизвести в модели именно те движения, которые известны из природы.