许多微生物能够在液体中进行有目的的运动。但它们是如何在没有复杂神经系统的情况下做到这一点的呢?来自维也纳工业大学(TU Wien)的新研究提供了耐人寻味的见解。
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细菌可以做到。变形虫可以做到。甚至你的血细胞也能做到。所有这些微小的生命形式都拥有令人惊讶的能力,能有目的地穿过液体。更令人惊讶的是,它们在没有大脑或任何中央控制系统的情况下就做到了这一点。
那么它们是如何做到的呢?来自维也纳工业大学、维也纳大学和塔夫茨大学的科学家们利用计算机模拟来寻找答案。他们的研究表明,简单的结构只需遵循非常基本的规则,就能以协调、高效的方式游泳,无需中央指令。
这一发现不仅有助于解释微生物如何运动,也为技术领域开启了激动人心的可能性。想象一下,微小的纳米机器人可以自主地在你的体内穿行,将药物精确地输送到需要的地方。
没有中央控制系统也能成功
“简单的微生物可以想象成由几个部分组成,有点像一串珍珠,”当前发表物的主要作者、维也纳工业大学理论物理研究所和塔夫茨大学艾伦探索中心的 Benedikt Hartl 说。“各个部分可以相对彼此移动。我们想知道:在什么情况下,这会导致整个生物体朝所需方向移动?”
如果有中央控制系统 —— 比如大脑或至少一个神经中枢 —— 这就相对简单。这样的中心可以向各个部分发出特定指令。很容易理解这如何导致协调的运动。
但单细胞生物体自然没有神经细胞,没有可以发出指令的中央处理系统。在这种情况下,协调的游泳运动是如何产生的呢?如果微生物的各个部分都按照非常简单的规则行事,这能否产生导致高效游泳的集体行为?
计算机模拟微生物
这个问题通过计算机模拟进行了研究:微生物被建模为由相互连接的珠子组成的链条。这些珠子中的每一颗都可以向左或向右施加力,但每颗珠子只知道其紧邻珠子的位置。它不了解生物体的整体状态或更远处的珠子。
“现在的关键问题是:是否存在一种控制系统、一套简单的规则、一种行为策略,让每颗珠子都能单独遵循,从而在没有中央控制单元的情况下产生集体游泳运动?” Benedikt Hartl 说。
Hartl 解释说,在计算机上,单个珠子 —— 即虚拟微生物的模拟部分 —— 被赋予了一种非常简单形式的人工智能,一个只有 20 到 50 个参数的微型神经网络:“‘神经网络’这个词在这里可能有点误导;当然,单细胞生物没有神经元。但这种简单的控制系统可以在细胞内实现,例如,通过非常简单的物理-化学回路,导致微生物的特定区域执行特定运动。”
现在,这种简单的分散控制系统被应用于计算机中,以寻找能产生最佳游泳行为的最有效的“控制代码”。使用该控制系统的每个版本,都让虚拟微生物在模拟的黏稠液体中游泳。
“我们能够证明,这种极其简单的方法足以产生高度鲁棒的游泳行为,” Benedikt Hartl 说。“尽管我们的系统没有中央控制,虚拟微生物的每个部分都按照非常简单的规则行事,但总体结果却产生了足以实现高效运动的复杂行为。”
生物学与技术
这个结果不仅有趣,因为它解释了非常简单的生物系统的复杂行为,它也可能对人工制造的纳米机器人有意义:“这意味着,通过非常简单的编程,也有可能创造出能够执行复杂任务的人工结构,”Andreas Zöttl(维也纳大学)说。“例如,可以想象制造出能主动寻找水中石油污染并帮助清除的纳米机器人。甚至是医疗纳米机器人,它们能自主移动到体内的特定位置,以靶向方式释放药物。”
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