생물 생리 학자 마누 프라 카쉬 (Manu Prakash)는 12 년 전 동료의 실험실에서 어느 날 밤 늦게 현미경을 들고 새로운 강박 관념을 만났을 때 생생하게 기억합니다. 렌즈 아래의 동물은 다른 무엇보다도 아메바와 비슷한 아메바와 비슷하지 않았습니다. 평평한 다세포 덩어리, 단지 20 미크론 두께와 몇 밀리미터, 머리도 꼬리가 없습니다. 그것은 수천 개의 섬모를 움직여 밑면을 담그기 위해 라틴어 이름 인 Trichoplax adhaerens 에 영감을주는 "끈적 끈적한 털이 많은 접시"를 형성했습니다. .
Placozoan으로 분류 된이 이상한 해양 생물은 실제로 진화론 적 생명 나무 자체와 동물 왕국에서 가장 작은 게놈에 대한 전체 가지를 가지고 있습니다. 그러나 Prakash가 가장 흥미 진진한 것은 잘 구조 된 은혜, 민첩성 및 효율성으로 수천에서 수백만 개의 세포가 trichoplax 입니다. 이사.
결국, 그러한 조정은 일반적으로 뉴런과 근육을 필요로합니다. 둘 다 없습니다.
Prakash는 나중에 Stanford University의 대학원생 인 Matthew Storm Bull과 팀을 이루어이 이상한 유기체를 신경근 시스템이 어떻게 진화했는지를 이해하는 야심 찬 프로젝트의 스타로 만들었습니다.
Prakash는“저는 종종 농담 으로이 신경 과학을 뉴런없이 부릅니다.
작년에 Arxiv.org 서버에 동시에 게시 된 총 100 페이지가 넘는 프리 프리 인트리오에서 그와 Bull은 trichoplax 의 동작을 보여주었습니다. 물리학 및 동적 시스템의 언어로 전적으로 설명 할 수 있습니다. 단일 실륨의 수준에서 시작한 다음 수백만 개의 세포에 걸쳐 곱하고 더 높은 수준의 구조로 확장 된 기계적 상호 작용은 전체 동물의 조정 된 운동을 완전히 설명했습니다. 유기체는해야 할 일을 "선택"하지 않습니다. 대신, 개별 섬모의 무리는 단순히 움직입니다. 동물 전체는 마치 신경계에 의해 지시되는 것처럼 수행됩니다. 연구원들은 심지어 섬모의 역학이 일반적으로 뉴런의 독특한 특징으로 여겨지는 특성을 보여줍니다.
이 연구는 단순한 기계적 상호 작용이 얼마나 놀라운 복잡성을 생성 할 수 있는지를 보여줄뿐만 아니라 신경계의 진화를 포기했을 수있는 것에 대한 설득력있는 이야기를 들려줍니다.
“이것은 생물 물리학의 투어 세력입니다. 이 발견은 이미 기계 기계와 로봇의 설계에 영감을주기 시작했으며 아마도 동물 행동에서 신경계의 역할에 대한 새로운 사고 방식조차도
입니다.단순하고 복잡한 경계
두뇌는 과대 평가됩니다. Bull은“뇌는 신체의 매우 구체적인 맥락에서만 작동하는 것입니다. "소프트 로봇 공학"및 "Active Matter"로 알려진 분야에서 연구에 따르면 올바른 기계적 역학이 중앙 집중식 제어없이 복잡한 작업을 수행하는 데 필요한 전부가 될 수 있습니다. 실제로, 단일 세포만으로는 현저한 행동이 가능하며, 뉴런이나 근육의 도움없이 더 많은 것을 달성 할 수있는 집단 시스템 (예 :슬라임 곰팡이 또는 Xenobots)에 자기 조립 할 수 있습니다.
그러나 전체 세포 동물의 규모로 가능합니까?
trichoplax 완벽한 사례 연구였습니다. 힘든 세부 사항으로 공부하기에 충분히 간단하지만 연구원들에게 새로운 것을 제공 할만 큼 복잡합니다. Prakash는“당신은 단지 춤을 본다”고 말했다. "그것에 놀라운 복잡성이 있습니다." 회전하고 표면을 가로 질러 움직입니다. 그것은 조류 패치 위에 자체적으로 자체적으로 음식을 넣고 소비합니다. 그것은 두 가지로 묶어서 무성하게 재현됩니다.
“이와 같은 유기체는 실제로 척추 동물처럼 실제로 복잡한 것과 단세포 진핵 생물처럼 복잡해지는 것 사이 의이 멋진 중간 정권에 있습니다.
단일 세포와 근육과 신경계가있는 동물 사이의 중간지면은 Prakash와 Bull이 질문을하기에 완벽한 장소처럼 보였습니다. Prakash는“나에게 유기체는 아이디어입니다.
Prakash는 먼저 Trichoplax를 검사 할 수있는 새로운 현미경을 구축했습니다 아래에서 측면에서, 섬모의 고속 운동을 추적하는 방법을 알아 냈습니다. (이것은 이미 새로운 영토가 아니 었습니다. 그는 이미 건축하는 데 1 달러 미만의 비용이 드는 쉽게 조립 된 현미경 인 Foldscope를 개발하는 작품으로 유명했기 때문에 그는 이미 수백만의 개별 섬모를보고 추적 할 수있었습니다. Prakash는“당신은 표면에 착륙 할 때 발자국을보고 있습니다.
그는 6 년 전 자신의 실험실에 합류 한 나중에 불은 그 작은 발자국의 방향에서 패턴을 보는 데 몇 시간을 보냈습니다. 이러한 복잡한 패턴이 가능하기 위해 과학자들은 섬모가 어떤 종류의 장거리 의사 소통에 참여해야한다는 것을 알고있었습니다. 그러나 그들은 방법을 몰랐습니다.
그래서 그들은 작품을 모으기 시작했습니다. 작년까지 그들은 마침내 이야기를하기로 결정했습니다.
자동 조종 장치를 걷는
Prakash와 Bull은 섬모가 표면 위로 미끄러질 것을 기대하기 시작했으며, 유체의 얇은 층이 동물과 기질을 분리했습니다. 결국, 섬모는 일반적으로 물의 맥락에서 볼 수 있습니다 :물을 통해 박테리아 또는 기타 유기체를 추진하거나, 점액 또는 뇌척수액을 신체에서 움직입니다. 그러나 연구원들이 현미경을 살펴 보았을 때, 그들은 섬모가 수영하지 않고 걷는 것처럼 보였습니다.
일부 단일 세포 유기체는 섬모를 사용하여 크롤링하는 것으로 알려져 있지만, 이런 종류의 조정은이 규모에서 관찰되지 않았다고 지적했다. 그녀는“섬모를 사용하여 체액을 추진하기보다는 역학과 마찰과 접착력, 모든 종류의 흥미로운 견고한 역학에 관한 것입니다.”라고 그녀는 말했습니다.
따라서 기계 공학 분야의 스탠포드 대학원생 인 Prakash, Bull 및 Laurel Kroo는 섬모의 걷는 걸음 걸이를 특성화하기 시작했습니다. 그들은 시간이 지남에 따라 각 개별 실륨의 끝의 궤적을 추적하여 원을 휩쓸고 표면에 밀어 넣는 것을 보았습니다. 그들은 세 가지 유형의 상호 작용을 정의했다 :미끄러짐, 그 동안 섬모는 표면을 거의 방목하지 않았다. 섬모가 튀어 나오기 전에 표면에 짧게 부착했을 때 걷는 것; 그리고 섬모가 표면에 붙어 있었을 때.
그들의 모델에서, 보행 활동은 섬모의 내부 원동력과 표면에 대한 접착력의 에너지 사이의 상호 작용에서 자연스럽게 나타났다. 이 두 매개 변수 사이의 올바른 균형 (섬모 방향, 높이 및 비트 주파수의 실험적 측정에서 계산)은 정기적 인 운동을 일으켰으며, 각 섬모가 붙어 다리처럼 들어 올립니다. 잘못된 균형은 미끄러짐 또는 정체 된 단계를 생성했습니다.
Georgia Technology Institute의 생물 물리학 자 Simon Sponberg는“우리는 보통 우리가 그런 일이 벌어지면 내부 시계와 같은 신호가 있다고 생각합니다. “여기서 일어나는 일이 아닙니다. 섬모는 속도를 맞추지 않습니다. ‘가서 가고 가라.’라는 중심적인 것은 없다.
더욱이, 보행은 흥분된 시스템으로 모델링 될 수있다. 특정 조건에서 신호가 점차적으로 감쇠하고 멈추지 않고 신호가 퍼지고 증폭되는 시스템이다. 뉴런은 흥분성 시스템의 전형적인 예입니다. 작은 전압 섭동으로 인해 갑자기 발생할 수 있으며, 일부 임계 값 이상으로 새로운 자극 된 상태는 다른 시스템으로 전파됩니다. 섬모에서도 같은 현상이 발생하는 것처럼 보였다. 실험 및 시뮬레이션에서는 전압이 아닌 키가 작은 섭동으로 인해 근처 섬모의 활동이 비교적 큰 변화를 가져 왔습니다. 갑자기 방향을 바꾸고 심지어 정체 된 상태에서 걷는 상태로 전환 할 수도 있습니다. Prakash는“엄청나게 비선형입니다
실제로, Prakash, Bull 및 Kroo의 섬모 모델은 뉴런의 행동 전위에 대한 확립 된 모델에 매우 잘 매핑되는 것으로 나타났습니다. Bull은“이런 종류의 독특한 현상은 단일 뉴런의 비선형 역학에서 볼 수있는 것과 매우 흥미로운 비유를 인정합니다.
Sponberg는 동의했다. "실제로 매우 비슷합니다"라고 그는 말했습니다. "당신은 약간의 에너지를 쌓고 튀어 나온 다음 튀어 나온 다음 튀어 나옵니다."
새처럼 떼는 섬모
이 수학적 설명을 통해 Prakash와 Bull은 각 실륨이 표면과 상호 작용할 때 어떻게 이웃을 밀고 당기는지를 살펴 보았습니다. 그리고 어떻게 독립적 인 활동이 동기화되고 일관된 무언가로 합쳐질 수 있는지.
그들은 각 실륨의 기계적 걸음 걸이 조직의 높이에서 작은 국소 변동을 초래하는 방법을 측정했다. 그런 다음,이 세포의 섬모가 작은 진동 모터를 묶는 스프링 네트워크와 같이 자신의 움직임을 통해 순환하는 경우에도 근처의 세포에서 어떻게 잡아 당길 지에 대한 방정식을 썼습니다.
.Prakash는 연구원들이“탄력성과 활동 사이 의이 춤”을 모델링했을 때, 기판과 세포를 밀어 붙이는 섬모의 기계적 상호 작용이 유기체를 가로 질러 빠르게 전송되는 것을 보았다. 한 영역을 자극하면 조직을 통해 움직이는 동기화 된 섬모 방향이 파도를 일으켰습니다. Prakash는“수백만 달러를 시트에 곱한 걷는 섬모의 물리학에서 이러한 탄력성과 변형성은 실제로 일관된 운동성 행동을 일으킨다”고 말했다.
동기화 된 방향 패턴은 복잡 할 수 있습니다. 때로는 시스템의 활동이 소용돌이 생성 된 소용돌이와 섬모가 단일 지점 주위에 있습니다. 다른 경우에, 섬모는 1 초의 분획으로 재정며, 먼저 한 방향으로, 다른 길을 가리키는 다음과 같이 말한다.
Bull은“우리는 두 번째 타임 스케일 에서이 섬모가 처음으로 바뀌는 것을 처음 보았을 때 턱에 턱에 턱록을 탔습니다.
민첩한 무리는 특히 흥미로웠다. 예를 들어, 개별 조류와 생선은 일반적으로 액체처럼 작용하는 시스템에서 발생합니다. 예를 들어, 동료와 자유롭게 위치를 교환 할 수 있습니다. 그러나 그것은 trichoplax 에서 일어날 수 없습니다 섬모는 고정 된 위치를 갖는 세포의 구성 요소이기 때문에. 섬모는 "단단한 무리"로 움직입니다. Max Planck Institute for the Complex Systems의 물리학자인 Ricard Alert는 말했다.
Prakash와 Bull은 또한 시뮬레이션에서 정보 전송이 선택적이라는 것을 발견했습니다. 특정 자극 후에, 섬모에 의해 시스템에 주입 된 에너지는 유기체의 행동을 확산시키고 바꾸는 대신 소실되었습니다. Sponberg는“우리는 항상 우리의 두뇌를 사용하여 눈으로보고 상황을 인식하고``나는 그것을 무시하거나 응답해야합니다.’라고 말했습니다.
는 말했습니다.결국 Prakash와 Bull은 trichoplax 에 대한 일련의 기계적 규칙을 적을 수 있음을 발견했습니다. 직선 경로를 따라 가거나 갑자기 왼쪽으로 향하는 경우, 자체 역학을 사용하여 두 개의 개별 유기체로 찢어 질 수있을 때 제자리에 회전하거나 일방적 인 원 안에 움직일 수 있습니다.
Prakash는“동물 자체의 궤적은 문자 그대로 인코딩되어있다”고 Prakash는 말했다.
그는 동물이 환경에서 음식이나 다른 자원을 찾기위한“실행 및 회전식”전략의 일부로 이러한 회전 및 크롤링 역학을 이용할 수 있다고 추측합니다. 섬모가 정렬 될 때, 유기체는“실행”할 수 있으며, 방금 유익한 무언가를 산출하는 방향으로 계속 될 수 있습니다. 그 자원이 다 떨어지는 것처럼 보이면 trichoplax 섬모 소용돌이 상태를 사용하여 새로운 코스를 돌리고 차트를 표시 할 수 있습니다.
추가 연구에 따르면 바르셀로나의 폼페우 파드라 대학교 (Pompeu Fabra University)의 시스템 생물학 교수 인 요르디 가르시아 오잘 보 (Jordi Garcia-Ojalvo)는“매우 흥미로운 일이 될 것”이라고 말했다. 이 메커니즘은 분자 구조에서 조직에 이르기까지 유기체에 이르기까지 척도를 브리징하는 것입니다.
사실, 많은 연구자들에게, 그것은이 작품을 독특하고 설득력있게 만드는 것의 큰 부분입니다. 일반적으로 생물학적 시스템에 대한 물리 기반 접근법은 하나 또는 두 개의 척도의 복잡성에서 활동을 설명 할 수 있지만 전체 동물의 행동 수준은 아닙니다. Alert는“이것은 성과입니다… 정말 드문 일입니다
이러한 각 척도에서 메커니즘은 뉴런의 역학을 반영하는 원리를 더 만족스럽게 만듭니다. Sponberg는“이 모델은 순전히 기계적입니다. "그럼에도 불구하고 시스템 전체는 여전히 우리가 신경 역학적 시스템과 관련된 이러한 속성을 많이 가지고 있습니다." - 흥분성의 기초를 기반으로하며, 감도와 안정성 사이의 신중한 균형을 유지하고 복잡한 집단 행동을 할 수 있습니다.
. ."기계 시스템이 얼마나 멀리 데려 갈 수 있습니까?" 그는 덧붙였다. "그들은 당신을 정말로 멀리 데려 갈 수 있습니다."
그것은 신경 과학자들이 신경 활동과 행동 사이의 연관성에 대해 어떻게 생각하는지 생각하는 방법에 영향을 미칩니다. 스페인의 카탈로니아 연구 및 고급 연구 기관인 ICREA의 생물 물리학자인 Ricard Solé는“유기체는 우주의 실제 대상입니다. 역학만으로도 간단한 행동을 완전히 설명 할 수 있다면 신경 과학자들은 신경계가 다른 상황에서 복잡한 행동을 취하기 위해 동물의 생물 물리학을 어떻게 활용하는지 더 자세히 살펴볼 수 있습니다.
.Sponberg는“신경계가하고있는 일은 우리가 생각했던 일이 아닐 수도 있습니다.
다세포의 단계
“[ trichoplax 를보고 있습니다 ]는 근육과 신경계와 같은보다 복잡한 제어 메커니즘을 실제로 발전시키는 데 필요한 것에 대한 많은 통찰력을 줄 수 있습니다.”라고 Wan은 말했습니다. “당신이 그것을 갖기 전에, 다음으로 가장 좋은 것은 무엇입니까? 이것이 될 수 있습니다.”
경고에 동의했습니다. "이것은 민첩성과 같은 유기체 행동을하는 간단한 방법으로, 신경계가 개발되기 전에 진화를 통해 일찍 나타난 방식 일 것입니다." "아마도 우리 가보고있는 것은 그때 표준이었던 것의 살아있는 화석 일뿐입니다."
.Solé는 Trichoplax를 봅니다 "황혼의 구역…… 큰 전환의 중간에 복잡한 다세포로 전환됩니다." 동물은“뉴런이 필요한 것처럼 보이는 실제 복잡성을 달성하기위한 전제 조건”을 시작하기 시작한 것 같습니다.
.Prakash, Bull 및 그들의 공동 작업자들은 이제 trichoplax 을보고 있습니다. 다른 종류의 행동이나 학습도 가능할 수 있습니다. 다른 환경 맥락에서 무엇을 달성 할 수 있습니까? 역학 외에 생화학을 고려할 것인가 다른 수준의 행동을 열어 줄까요?
연구원들은 또한 그들이 발견 한 일부 원칙을 사용하여“지각 기계”라고 부르는 것을 구축하고 있습니다. 로봇 시스템과 기계적 특성을 활용하여 중앙 집중식 제어없이 특정 작업을 수행하는 로봇 시스템 및 스마트 재료. Prakash는“이제 우리는이 시스템에서 청사진을 빌려 왔으며 상상력에서도 많은 것을 추가 할 수 있습니다.
Prakash 실험실의 학생들은 이미 해당 기계의 작업 예를 구축하기 시작했습니다. 예를 들어 Kroo는 활성 폼이라는 점탄성 재료로 구동되는 로봇 수영 장치를 건설했습니다. 옥수수 전분 현탁액과 같은 비 뉴턴 유체에 배치되면 앞으로 나아갈 수 있습니다.
."얼마나 웅장하고 싶습니까?" 펠레그가 물었다. “이런 종류의 기계 네트워크에서 뇌를 만들 수 있습니까?”
Prakash는 이것을 수십 년 동안의 사가가 될 것입니다. "정말로이 동물을 이해하려고 노력하는 것은 30 년 또는 40 년의 여행입니다." "우리는 첫 10 년을 마쳤습니다. 한 시대의 끝이자 다른 시대의 시작입니다."
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