Μονοκύτταρος οργανισμός χρησιμοποιεί εσωτερικό “υπολογιστή” για να περπατάει

Νέα

Τα περισσότερα ζώα, για να μπορούν να περπατήσουν, να τρέξουν ή να πηδήξουν, χρειάζεται να διαθέτουν εγκέφαλο. Το μονοκύτταρο πρωτόζωο Euplotes eurystomus, ωστόσο, περπατάει χρησιμοποιώντας έναν απλό μηχανικό υπολογιστή για να συντονίζει τα μικροσκοπικά του πόδια, όπως αναφέρουν ερευνητές του University of California, San Francisco (UCSF) σε μία πρόσφατη δημοσίευσή τους στο περιοδικό “Current Biology”.

Τα Euplotes διαθέτουν 14 αποφύσεις που μοιάζουν με πόδια, με την καθεμία να αποτελείται από συστάδες βλεφαρίδων (σημ. ονομασία είδους τριχιδίων – χαρακτηριστικό των βλεφαριδωτών). Οι επιστήμονες έδειξαν, για πρώτη φορά, ότι οι εσωτερικές συνδέσεις μεταξύ αυτών των βλεφαρίδων ελέγχουν τις κινήσεις τους, αφήνοντας τα πόδια να κινούνται μόνο σε συγκεκριμένα μοτίβα και ακολουθίες. Όταν διαταράσσονται αυτές οι εσωτερικές συνδέσεις, οι κινήσεις των υδρόβιων οργανισμών γίνονται λιγότερο αποτελεσματικές – συχνά οδηγώντας τα κύτταρα να γυρίζουν σε κύκλους αντί να περπατούν σε ευθεία γραμμή.

Ο Dr Wallace Marshall, επικεφαλής συγγραφέας της μελέτης και καθηγητής βιοχημείας και βιοφυσικής στο UCSF λέει: «Τα Euplotes χρησιμοποιούν αυτές τις συνδέσεις για την διευκόλυνση ενός περίπλοκου βηματισμού, υποψιάζομαι όμως πως όταν εμβαθύνουμε περισσότερο, θα βρούμε ότι άλλα κύτταρα χρησιμοποιούν παρόμοιες μορφές υπολογισμών για τον έλεγχο πιο λεπτών διαδικασιών».

Γενικά, οι υδρόβιοι μονοκύτταροι οργανισμοί δεν έχουν πόδια και δεν περπατούν – κυλίονται, κολυμπούν ή γλιστρούν. Έτσι, όταν ο μεταδιδακτορικός ερευνητής του UCSF, Ben Larson, εντόπισε Euplotes να τριγυρνούν κάτω από το μικροσκόπιό του, αρχικά νόμισε ότι παρατηρεί κάτι που μοιάζει με έντομο. Όταν συνειδητοποίησε ότι οι οργανισμοί ήταν μονοκύτταροι, ενδιαφέρθηκε για το πώς μπορούν να συντονίζουν τις 14 αποφύσεις τους χωρίς να διαθέτουν εγκέφαλο ή νευρικό σύστημα.

Για να κατανοήσουν αυτήν την ασυνήθιστη ικανότητα, ο Larson και ο Marshall παρατήρησαν λεπτομερέστερα τα κύτταρα Euplotes, επιβραδύνοντας τα βίντεο των κυττάρων που περπατούσαν, καταγράφοντας 33 καρέ ανά δευτερόλεπτο και επισημαίνοντας κάθε πόδι για να αναλύσουν το βάδισμα των οργανισμών.

Euplotes περπατά κάτω από ένα μικροσκόπιο, χρησιμοποιώντας τα “πόδια” του. Το βίντεο έχει επιβραδυνθεί (4 φορές) ώστε να γίνουν πιο ευδιάκριτες οι κινήσεις. Video by Ben Larson/Wallace Lab

Τα κύτταρα δεν περπατούσαν όπως οι άνθρωποι με εμφανείς εναλλαγές των ποδιών, ούτε κρατούσαν μια ρυθμική ακολουθία, όπως για παράδειγμα ένα καλπάζον άλογο. Ωστόσο, οι επιστήμονες διαπίστωσαν ότι οι αποφύσεις ακολουθούσαν συγκεκριμένα μοτίβα. Οι ερευνητές, αφού κατέγραψαν 32 διακριτές «καταστάσεις βάδισης» ή συνδυασμούς κινήσεων των ποδιών, έδιξαν ότι ορισμένες καταστάσεις βάδισης ήταν πιο πιθανό να ακολουθήσουν κάποιες άλλες.

Ο Larson εξηγεί: «Φαινόταν να υφίσταται αυτή η λογική διαδοχής των κινήσεων. Δεν ήταν τυχαίες, οπότε αρχίσαμε να υποψιαζόμαστε ότι γινόταν κάποια επεξεργασία πληροφοριών».

Μια μηχανή μικροσωληνίσκων

Οι επιστήμονες γνωρίζουν, από τη δεκαετία του 1920, ότι μακριά πρωτεϊνικά νημάτια συνεχίζουν μέσα στον οργανισμό των Euplotes, ως προεκτάσεις των αποφύσεων. Αποτελούνται από μικροσωληνίσκους -τα πρωταρχικά δομικα στοιχεία του κυτταρικού σκελετού- και για καιρό θεωρείτο πως ο ρόλος τους, στους οργανισμούς Euplotes, ήταν δομικός. Ωστόσο, όταν οι Larson και Marshall ανέστελλαν με φάρμακα την λειτουργία των μικροσωληνίσκων ή τους έκοβαν με μια βελόνα, τα Euplotes δεν περπατούσαν πλέον με τον ίδιο τρόπο· οι κινήσεις τους γίνονταν πιο τυχαίες.

Η ομάδα συνεργάστηκε με επιστήμονες υπολογιστών ώστε να μοντελοποιήσουν τον τρόπο με τον οποίο τα νημάτια μπορούν να ελέγξουν τον βηματισμό. Κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι η ένταση και η πίεση στα νημάτια είναι αυτές που υπαγορεύουν ποιές καταστάσεις βάδισης είναι δυνατές σε κάθε δεδομένη στιγμή. Ο μηχανισμός, είπαν, μοιάζει με ένα Strandbeest – ένα γλυπτό που σχεδιάστηκε από έναν Ολλανδό καλλιτέχνη ώστε να περπατά και να αντιδρά στο περιβάλλον του.

Κατά τον Marshall, παρά το ότι αυτός ο εσωτερικός μηχανισμός δεν μοιάζει με τις σημερινές ψηφιακές συσκευές, φαίνεται να ακολουθεί τις αρχές που χρησιμοποιούσαν οι πρώιμοι μηχανικοί υπολογιστές.

«Το γεγονός ότι οι αποφύσεις των Euplotes μεταβαίνουν με μη τυχαίο τρόπο από την μια κατάσταση στην άλλη, σημαίνει ότι αυτό το σύστημα μοιάζει με έναν υποτυπώδη υπολογιστή», λέει ο ίδιος.

Απαιτείται περισσότερη δουλειά για την ακριβή κατανόηση του πώς τα νημάτια των μικροσωληνίσκων ελέγχουν το περπάτημα των οργανισμών Euplotes, παραδέχονται οι ερευνητές. Τα πειράματα και η μοντελοποίησή τους, όμως, προτείνουν μια εντελώς νέα, μηχανική μέθοδο, την οποία χρησιμοποιεί το κύτταρο για ελέγχει την εσωτερική του κατάσταση.

“Αποτελεί ένα συναρπαστικό βιολογικό φαινόμενο από μόνο του, θα μπορούσε όμως να αναδείξει πιο γενικές υπολογιστικές διαδικασίες σε άλλους τύπους κυττάρων”, δηλώνει ο Larson.

Παραπομπές:
Ben Larson et al. A unicellular walker controlled by a microtubule-based finite-state machine. Current Biology.
Πηγή:
https://www.ucsf.edu/

Αφήστε μια απάντηση

Η ηλ. διεύθυνση σας δεν δημοσιεύεται.