Rasionalis bakteria • Alexey Opayev • Tugas sains popular mengenai "Unsur" • Biologi

Bakteria rasionalis

Tugas

Semua, walaupun haiwan paling mudah, mesti mencari makanan mereka sendiri. Tetapi selalunya sumber tidak diedarkan secara beransur-ansur: makanan ditemui dalam apa yang dipanggil kotoran makanan. Anehnya, banyak bakteria dan invertebrata menghadapi tugas mencari makanan secara rasional – mereka berjaya menemuinya dalam persekitaran yang heterogen dan membuangnya.

Sebenarnya, kelakuan carian suapan yang adaptif dan rasional tidak memerlukan "minda" dan boleh dilaksanakan dengan hanya menukar dua taktik pergerakan di ruang angkasa, tanpa mengira faktor luaran – iaitu, apakah pergerakan jenis ini berjaya atau tidak. Apakah yang dimaksudkan dengan ini adalah taktik dan dengan apa prinsipnya Sekiranya mereka beralih?


Petunjuk

Dalam ara. 1 menunjukkan serpihan (1000 langkah) dari trajektori agen yang dimodelkan secara buatan (pada komputer) jika tiada rangsangan luar. Dua jenis pergerakan yang dikehendaki dapat dilihat dalam angka ini, dan corak peralihan mereka dapat dilihat.

Rajah. 1. 1000 langkah trajektori ejen yang dimodelkan secara buatan tanpa kehadiran rangsangan luar. Gambar dari artikel oleh V. A. Nepomnyashchikh, 2006. Model tingkah laku carian autonomi

Oleh kerana corak ini, trajektori berbeza daripada gerakan Brownian rawak. Oleh itu, ejen jarang sekali kembali ke kawasan yang telah dikunjungi dan untuk unit waktu mengkaji kawasan yang besar. Ini mempunyai kelebihan penyesuaian, contohnya, ketika mencari makanan.


Penyelesaian

Trajektori haiwan boleh digambarkan menggunakan segmen berturut-turut (panjangnya boleh sama atau berbeza). Setiap segmen – bergerak jarak tertentu dalam garis lurus. Oleh itu, untuk perihalan trajektori, parameter seperti sudut perputaran. Atau, secara alternatif, sudut antara dua segmen yang dilalui secara berturut-turut.

Kami menghuraikan taktik yang dikehendaki oleh parameter ini, dengan mengambil kira bahawa ia mengambil satu daripada dua nilai: taktik pertama (bersyarat) adalah 90-180 ° (sudut besar), kedua – 0-90 ° (sudut kecil). Jika haiwan mengamalkan taktik pertama berulang-ulang, ini akan membawa kepada pergerakan yang lebih mudah atau tidak langsung. Dan mematuhi taktik kedua, ia akan "berputar di tempat". Inilah prinsip taktik beralih. Mula-mula anda perlu secara konsisten melakukan satu taktik, kemudian beralih dan berpegang kepada yang lain untuk seketika.Iaitu, penggantian taktik boleh diwakili sebagai urutan 1111222111112221111 …, di mana 1 dan 2 adalah taktik pertama dan kedua. Ini tidak lebih daripada autokorelasi – korelasi antara tindakan berturut-turut haiwan (dalam kes ini antara sudut putaran dalam gerakan berturut-turut).

Di bahagian seterusnya, kita akan memberi contoh pergerakan yang teratur dalam haiwan dengan cara ini, dan kemudian kita akan membincangkan tentang perasaan adaptif terhadap kelakuan ini.

Pemindahan jika tiada rangsangan luar

Copepods Temora longicornis walaupun di dalam akuarium, di mana makanan mereka (alga bersel tunggal) diagihkan sama rata, ia tidak secara kebetulan bahawa mereka bergerak. Mereka membuat beberapa pergerakan, hampir tanpa mengubah arah. Dan kemudian tiba-tiba mereka mula mengubah arah dengan kerap dan berputar di satu tempat. Peralihan pergerakan arah dan mengelilingi mudah dilihat dalam Rajah. 2

Rajah. 2 Laluan pergerakan copepod Temora longicornis dalam ruang tiga dimensi (di sebelah kiri) dan kemunculan dirinya (di sebelah kanan). Imej dari F. G. Schmitt, L. Seuront, 2001. Berjalan secara rawak pelbagai jenis dalam tingkah laku copepod

Kaedah pergerakan yang sama dalam ketiadaan rangsangan luar juga diketahui bakteria. Inilah tingkah laku spontan bakteria E. coli. Escherichia coli. Pergerakannya terdiri daripada satu siri larian hampir lurus, bergantian dengan putaran di tempat dan gerakan pendek. Tidak sukar untuk melihat bahawa skim ini pada asasnya sama seperti krustasea.

Ia menghairankan untuk mencari corak yang serupa dalam organisma yang berbeza dan evolusi jauh. Lebih-lebih lagi – dalam persekitaran yang homogen, iaitu, tanpa pengaruh apa-apa faktor luaran atau mercu tanda. Ini menunjukkan bahawa kelakuan ini bergantung kepada beberapa proses kimia (tidak semestinya sama dalam bakteria dan dalam krustasea). Dan untuk mekanisme E. coli sememangnya didapati. Ternyata peralihan siri pergerakan rectilinear dengan satu siri rotasi dijelaskan oleh siklus kimia sintesis dan pemusnahan protein CheR dalam sel. Pengumpulannya membawa kepada peningkatan dalam kebarangkalian putaran, dan, sebaliknya, kemusnahan dan penurunan kepekatan mengurangkan kebarangkalian ini (Rajah 3).

Rajah. 3 Kekerapan putaran E. coli, bergantung kepada kepekatan intraselular protein CheR. Gambar dari U. Alon et al., 1999. Kekuatan dalam chemotaxis bakteria

Apakah kesesuaian dan bagaimana insentif luaran mengubah peraturan

Ternyata organisasi yang digambarkan pergerakan itu – penggantian satu siri dua taktik alternatif – menjadikannya agak mudah untuk mencari mangsa secara rawak atau teragih.Ini menunjukkan, contohnya, kajian terhadap tingkah laku daphnia Daphnia magna. Apabila mencari makanan, krustasea ini menggantikan dua jenis kelakuan – melemparkan lurus dalam satah menegak dan bertukar arah rawak, dan sudut putaran berbeza dari kes ke kes. Pemodelan tingkah laku daphnids pada komputer, serta memerhati mereka di makmal, menunjukkan perkara berikut. Jika kedua-dua jenis tingkah laku ini silih berganti (beberapa lontaran, maka beberapa lilitan, dll), ini memungkinkan untuk mencari makanan yang diedarkan secara rawak di ruang angkasa (N. T. Dees et al., 2008. Stonastic resonance dan evolusi Daphnia strategi pemantauan).

Tetapi peralihan autokorelasi yang paling menyesuaikan dua taktik diperoleh apabila corak ini boleh diubah suai di bawah pengaruh keadaan luaran. Perhatikan bahawa kita bercakap mengenai pengubahsuaian tingkah laku, rupa yang tidak bergantung pada keadaan persekitaran. Contoh copepod yang disebutkan di atas adalah contoh yang baik. Temora longicornis. Seperti yang kita lihat dalam gambar. 2, di dalam akuarium, di mana makanan diagihkan sama rata, mereka tidak bergerak secara rawak. Di sini maksudnya tingkah laku ini kelihatan kabur. Walau bagaimanapun, secara semulajadi ia membantu krustasea berjaya mencari makanan.Hakikatnya, sifat makanan mereka biasanya tidak sama rata, tetapi terdapat dalam kelompok – "kotoran makanan". Tertangkap dalam pengumpulan alga, krustasea sering menukar arah pergerakan, yang membantu mereka tinggal di sini dan lebih banyak menggunakan kawasan suapan. Di luar akumulasi alga, krustasea bergerak lebih kerap sepanjang trajektori garis lurus. Hal ini membolehkan mereka untuk mencari cluster dengan cepat, bukannya bertentangan di satu tempat dan jarang kembali ke kawasan yang sudah disurvei.

Contoh yang lebih menarik adalah hasil kajian larva caddis Chaetopteryx villosa. Mereka mendiami bahagian bawah air tawar air. Untuk melindungi larva, mereka membawa "rumah" pada diri mereka sendiri – tiub pasir dan zarah lain yang mungkin mereka dapati. Zarah-zarah dipegang bersama oleh benang protein lengket. Zarah-zarah yang lebih besar, kaddisk mendapati, lebih cepat dan dengan kos yang lebih rendah ia akan membina sebuah rumah. Dalam eksperimen (Rajah 4, atas), larva ditawarkan, bersama dengan pasir, serpihan kulit telur. Mereka lebih besar daripada bijirin pasir, jadi ia menguntungkan untuk menggunakan cengkerang. Dan kebanyakan larva hanya melakukannya (Rajah 4, di bawah). Walau bagaimanapun, mereka, tentu saja, tidak membandingkan di antara mereka semua zarah dalam cubaan untuk mencari yang terbesar. Dan bertindak sangat sederhana.Larva bergerak di sepanjang bahagian bawah sehingga zarah yang sesuai didapati. Selepas itu, mereka dengan kebarangkalian yang tinggi kekal di tempat ini dan mula merasakan zarah jiran. Lebih besar zarah itu dijumpai, lebih banyak masa mereka meninjau kawasan kejiranan terdekat. Oleh itu, ia adalah tepat di tempat di mana kerangka itu terkumpul bahawa mereka sememangnya mungkin untuk masa yang paling lama. Ini membawa kepada hakikat bahawa "rumah" majoriti individu yang diuji kepada yang lebih besar atau lebih rendah termasuk bahan ini, yang tidak begitu ciri-ciri mereka.

Rajah. 4 Di atas – koridor bulat eksperimen dengan pasir: larva caddis terletak di tapak dengan serpihan shell. Kiri bawah – Larva cuba mengupas, kanan bawah – rumah siap, dibuat menggunakan bahan ini. Gambar dari artikel oleh V. A. Nepomnyashchikh. 2006. Model Perilaku Cari Autonomi

Secara semula jadi, tingkah laku ini juga menyesuaikan diri: selepas semua, zarah-zarah saiz yang sama cenderung untuk berkumpul di satu tempat. Sementara itu, pelaksanaannya, seperti yang kita lihat, sangat mudah. Penggantian ini satu siri dua tindakan alternatif (pergerakan dan pemeriksaan kawasan terdekat).Tetapi tempoh siri ini bergantung kepada "tetulang" (apa saiz zarah didapati).


Selepas perkataan

Robot, kecerdasan buatan dan kelakuan haiwan

Hasil kajian terhadap tingkah laku haiwan, dibincangkan di atas, sangat menarik bukan hanya kepada ahli biologi. Tetapi juga – dalam robotika dan dalam penciptaan kecerdasan buatan. Apabila perkembangan di bidang kecerdasan buatan baru bermula, saintis menganggap algoritma berikut untuk menyelesaikan masalah ini dengan "akal" ini. Ia terdiri daripada tiga peringkat utama: (1) untuk mengumpulkan semua maklumat yang diperlukan untuk menyelesaikan masalah (2) untuk menganalisisnya dan (3) untuk mencari penyelesaian yang optimum dan meneruskan pelaksanaannya. Seperti yang anda rasa, pendekatan ini hanya baik dalam persekitaran tiruan yang mudah dengan sifat-sifat tertentu. Pada hakikatnya, untuk mengutip keseluruhannya maklumat mungkin terlalu mahal. Oleh itu, kita memerlukan algoritma sedemikian yang akan mencari penyelesaian yang lebih atau kurang optimum berdasarkan peraturan "tingkah laku" yang tertentu tanpa data lengkap.

V. A. Nepomnyaschykh dalam artikelnya "Model Perilaku Cari Otonomi" (2006) memberikan contoh mengenai ini.Bayangkan robot dihantar ke planet yang belum diterokai untuk memeriksa permukaannya dan memilih sampel geologi dengan kandungan uranium maksimum. Dan untuk masa yang terhad dan dengan tenaga yang terhad. Dengan rumusan masalah ini, tidak jelas apa arti "kandungan uranium maksimum". Malah, pengedarannya dalam sampel tidak diketahui terlebih dahulu, sama seperti pengedaran sampel di atas permukaan bumi tidak jelas. Sudah tentu, seseorang hanya boleh menjalankan kajian awal wilayah dan sampel yang berlainan. Walau bagaimanapun, tidak diketahui terlebih dahulu berapa banyak masa dan tenaga yang diperlukan untuk mengumpul data yang mencukupi. Dan masa dan tenaga robot adalah terhad. Dalam keadaan sedemikian, adalah sangat mustahak untuk bertindak sebagai caddisc apabila mencari zarah untuk "rumah "nya: bukannya mengumpul, menyimpan dan menganalisis maklumat" lengkap ", hanya menggunakan data" setempat "(iaitu respons terhadap isyarat yang kini dilihat) . Dan kemudian bertindak menurut beberapa peraturan carian. Seperti yang dilakukan oleh larva kaddis, mencapai, mungkin, bukan yang terbaik, tetapi keputusan yang dapat diterima.

Pendekatan ini mula-mula dicadangkan pada separuh kedua tahun 1980-an. Apabila mencipta robot "berfikir" autonomi, ia dicadangkan untuk meniru model tingkah laku yang dilaksanakan oleh haiwan di habitat semulajadi mereka. Paling mudah model-model ini dibincangkan secara ringkas di atas.

Sumber:
1) V. A. Nepomnyaschikh. Model Perilaku Carian Autonomi // "Daripada Model ke Perilaku" (oleh VG Red'ko). 2006. M:: URSS. Ms 200-242.
2) V. A. Nepomnyaschikh. Meningkatkan kebolehubahan dalam tingkah laku haiwan akibat autokorelasi // Jurnal Biologi Am. 2012. T. 73. №4. Ms 243-252.


Like this post? Please share to your friends:
Tinggalkan Balasan

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: