據(jù)外媒報(bào)道，簡單的生物如何設(shè)法移動(dòng)到一個(gè)特定的地方?人工智能和維也納大學(xué)開發(fā)的一個(gè)物理模型現(xiàn)在可以幫助解釋這個(gè)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(dòng)?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。

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這些構(gòu)造極其簡單的生物是如何做到這一點(diǎn)的，直到現(xiàn)在還不完全清楚。然而，維也納大學(xué)的一個(gè)研究小組現(xiàn)在已經(jīng)能夠在計(jì)算機(jī)上模擬這一過程。他們計(jì)算了一個(gè)非常簡單的生物體模型和它的環(huán)境之間的物理互動(dòng)。這個(gè)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(gè)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(jī)器學(xué)習(xí)算法的幫助下，這個(gè)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(gè)計(jì)算機(jī)生物體，它在尋找食物的過程中，其移動(dòng)方式與生物對(duì)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(xiàng)目的Andras Zöttl說，該項(xiàng)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。“細(xì)菌可以利用受體來確定哪個(gè)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(huì)觸發(fā)向所需方向的運(yùn)動(dòng)。這就是所謂的趨化性。”

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(duì)性的運(yùn)動(dòng)活動(dòng)聯(lián)系起來。

“為了能夠解釋這一點(diǎn)，你需要為這些單細(xì)胞生物的運(yùn)動(dòng)建立一個(gè)現(xiàn)實(shí)的物理模型，”Andras Zöttl說。“我們已經(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(dú)立運(yùn)動(dòng)。我們的單細(xì)胞生物體由三個(gè)通過簡化的肌肉連接的質(zhì)量組成。現(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(gè)生物體向所需的方向移動(dòng)?最重要的是：這個(gè)過程能否以簡單的方式實(shí)現(xiàn)，還是需要復(fù)雜的控制?”

一個(gè)由信號(hào)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(yùn)動(dòng)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(shí)在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)了這個(gè)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?；瘜W(xué)信號(hào)被觸發(fā)并最終導(dǎo)致生物體的某種運(yùn)動(dòng)。

“這些元素以及它們相互影響的方式在計(jì)算機(jī)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(yùn)動(dòng)策略被輕微改變，”Maximilian Hübl報(bào)告說，他做了許多關(guān)于這個(gè)主題的計(jì)算，作為他碩士論文的一部分。那些成功地將其運(yùn)動(dòng)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(gè)控制網(wǎng)絡(luò)--與生物進(jìn)化非常相似--使一個(gè)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(yùn)動(dòng)。

隨機(jī)的“搖擺運(yùn)動(dòng)”--但有一個(gè)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(dòng)物，它有意識(shí)地感知到一些東西，然后向它跑去。它更像是一種隨機(jī)的搖擺運(yùn)動(dòng)。但平均而言，它最終會(huì)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。”

最近發(fā)表在著名雜志《PNAS》上的計(jì)算機(jī)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(shí)足以實(shí)現(xiàn)看起來相對(duì)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)模式。如果正確地考慮到物理?xiàng)l件，那么一個(gè)非常簡單的內(nèi)部機(jī)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(yùn)動(dòng)。