據(jù)外媒報道，簡單的生物如何設(shè)法移動到一個特定的地方？人工智能和維也納大學(xué)開發(fā)的一個物理模型現(xiàn)在可以幫助解釋這個問題。在沒有大腦或神經(jīng)系統(tǒng)的情況下，如何可能向所需的方向移動？單細(xì)胞生物顯然可以毫無問題地完成這一壯舉：例如，它們可以在“小鞭毛”尾巴的幫助下游向食物。
這些構(gòu)造極其簡單的生物是如何做到這一點的，直到現(xiàn)在還不完全清楚。然而，維也納大學(xué)的一個研究小組現(xiàn)在已經(jīng)能夠在計算機上模擬這一過程。他們計算了一個非常簡單的生物體模型和它的環(huán)境之間的物理互動。這個環(huán)境是一種化學(xué)成分不均勻的液體，它含有分布不均勻的食物來源。
這個模擬生物體被賦予了以非常簡單的方式處理其環(huán)境中的食物信息的能力。在機器學(xué)習(xí)算法的幫助下，這個虛擬生物的信息處理在許多進(jìn)化步驟中被修改和優(yōu)化。結(jié)果是一個計算機生物體，它在尋找食物的過程中，其移動方式與生物對應(yīng)物非常相似。
“乍一看，如此簡單的模型能夠解決如此困難的任務(wù)，令人驚訝，”領(lǐng)導(dǎo)該研究項目的Andras Z?ttl說，該項目是在維也納大學(xué)理論物理研究所的 "軟物質(zhì)理論 "小組（由Gerhard Kahl領(lǐng)導(dǎo)）進(jìn)行的?！凹?xì)菌可以利用受體來確定哪個方向，例如，氧氣或營養(yǎng)物質(zhì)濃度正在增加，然后這一信息會觸發(fā)向所需方向的運動。這就是所謂的趨化性?！?/p>
其他多細(xì)胞生物的行為可以用神經(jīng)細(xì)胞的相互連接來解釋。但是單細(xì)胞生物體沒有神經(jīng)細(xì)胞--在這種情況下，細(xì)胞內(nèi)只可能有極其簡單的處理步驟。直到現(xiàn)在，人們還不清楚如此低的復(fù)雜程度如何足以將簡單的感覺印象--例如來自化學(xué)傳感器--與有針對性的運動活動聯(lián)系起來。
“為了能夠解釋這一點，你需要為這些單細(xì)胞生物的運動建立一個現(xiàn)實的物理模型，”Andras Z?ttl說?！拔覀円呀?jīng)選擇了最簡單的可能的模型，首先在物理上允許在流體中獨立運動。我們的單細(xì)胞生物體由三個通過簡化的肌肉連接的質(zhì)量組成?，F(xiàn)在的問題是：這些肌肉能否以這樣的方式進(jìn)行協(xié)調(diào)，使整個生物體向所需的方向移動？最重要的是：這個過程能否以簡單的方式實現(xiàn)，還是需要復(fù)雜的控制？”
一個由信號和指令組成的小網(wǎng)絡(luò)
“即使單細(xì)胞生物體沒有神經(jīng)細(xì)胞網(wǎng)絡(luò)--將其‘感覺印象’與運動聯(lián)系起來的邏輯步驟可以用類似于神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的方式進(jìn)行數(shù)學(xué)描述，”Benedikt Hartl說，他利用自己在人工智能方面的專業(yè)知識在計算機上實現(xiàn)了這個模型。在單細(xì)胞生物體中，細(xì)胞的不同元素之間也存在著邏輯聯(lián)系。化學(xué)信號被觸發(fā)并最終導(dǎo)致生物體的某種運動。
“這些元素以及它們相互影響的方式在計算機上進(jìn)行了模擬，并通過遺傳算法進(jìn)行了調(diào)整。一代又一代，虛擬單細(xì)胞生物體的運動策略被輕微改變，”Maximilian Hübl報告說，他做了許多關(guān)于這個主題的計算，作為他碩士論文的一部分。那些成功地將其運動導(dǎo)向所需化學(xué)品位置的單細(xì)胞生物體被允許“繁殖”，而那些不太成功的變體則 “死亡”。這樣，經(jīng)過許多代之后，出現(xiàn)了一個控制網(wǎng)絡(luò)--與生物進(jìn)化非常相似--使一個虛擬的單細(xì)胞生物體能夠以極其簡單的方式和非常基本的電路將化學(xué)感知轉(zhuǎn)化為目標(biāo)運動。
隨機的“搖擺運動”--但有一個具體的目標(biāo)
Andreas Z?ttl.說：“你不應(yīng)該把它想成是一種高度發(fā)達(dá)的動物，它有意識地感知到一些東西，然后向它跑去。它更像是一種隨機的搖擺運動。但平均而言，它最終會指向正確的方向。而這正是你在自然界中觀察到的單細(xì)胞生物的情況?！?/p>
最近發(fā)表在著名雜志《PNAS》上的計算機模擬和算法概念證明，控制網(wǎng)絡(luò)的最低程度的復(fù)雜性確實足以實現(xiàn)看起來相對復(fù)雜的運動模式。如果正確地考慮到物理條件，那么一個非常簡單的內(nèi)部機器就足以在模型中準(zhǔn)確地重現(xiàn)那些從自然界中已知的運動。
