พฤติกรรมของสัตว์ตัวนี้ได้รับการตั้งโปรแกรมไว้

ไม่ได้กำหนด

Trichoplax adhaerens ของสัตว์ธรรมดาๆ ที่เคลื่อนไหวและตอบสนองต่อสภาพแวดล้อมด้วยความว่องไวและดูเหมือนมีจุดประสงค์ แต่กลับไม่มีเซลล์ประสาทหรือกล้ามเนื้อในการประสานการเคลื่อนไหว งานใหม่แสดงให้เห็นว่าปฏิสัมพันธ์ทางชีวกลศาสตร์ระหว่างตาของสัตว์นั้นเพียงพอที่จะอธิบายว่ามันเคลื่อนที่อย่างไร

Prakash Lab

นักชีวฟิสิกส์ Manu Prakash จดจำช่วงเวลานั้นได้อย่างชัดเจนในคืนหนึ่งในห้องทดลองของเพื่อนร่วมงานเมื่อหลายสิบปีที่แล้ว เมื่อเขามองเข้าไปในกล้องจุลทรรศน์และพบกับความหลงใหลครั้งใหม่ของเขา สัตว์ที่อยู่ใต้เลนส์มองไม่ค่อยเห็น คล้ายกับอะมีบามากกว่าสิ่งอื่นใด: หยดหลายเซลล์ที่แบนราบ มีความหนาเพียง 20 ไมครอนและข้ามสองสามมิลลิเมตรโดยไม่มีหัวหรือหาง มันเคลื่อนไปตามขนนับพันที่ปกคลุมด้านล่างเพื่อสร้าง “จานที่มีขนเหนียว” ซึ่งเป็นแรงบันดาลใจให้ชื่อละติน Trichoplax adhaerens

สัตว์ทะเลที่แปลกประหลาดนี้จัดอยู่ในประเภทพลาโคซัว มี กิ่งก้านทั้งหมด บนต้นไม้วิวัฒนาการแห่งชีวิตสำหรับตัวมันเอง เช่นเดียวกับจีโนมที่เล็กที่สุดที่รู้จักกันในอาณาจักรสัตว์ แต่สิ่งที่ทำให้ Prakash สนใจมากที่สุดคือความสง่างาม ความว่องไว และประสิทธิภาพที่ประสานกันเป็นอย่างดี ซึ่งเซลล์ใน Trichoplax เคลื่อนตัวไปหลายพันถึงล้านเซลล์

ท้ายที่สุด การประสานงานดังกล่าวมักต้องการเซลล์ประสาทและกล้ามเนื้อ และ Trichoplax ก็ไม่มีเช่นกัน

ในเวลาต่อมา Prakash ได้ร่วมมือกับ Matthew Storm Bull ซึ่งเป็นนักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาของเขาที่มหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ด เพื่อทำให้สิ่งมีชีวิตที่แปลกประหลาดนี้เป็นดาวเด่นของโครงการที่มีความทะเยอทะยาน โดยมีจุดมุ่งหมายเพื่อทำความเข้าใจว่าระบบประสาทและกล้ามเนื้ออาจมีวิวัฒนาการอย่างไร และสิ่งมีชีวิตหลายเซลล์ในยุคแรกสามารถเคลื่อนไหว ค้นหาอาหารและ สืบพันธุ์ก่อนที่เซลล์ประสาทจะมีอยู่จริง

“ฉันมักจะเรียกติดตลกว่าประสาทวิทยาศาสตร์นี้โดยไม่มีเซลล์ประสาท” Prakash กล่าว

ในการพิมพ์ล่วงหน้าสามฉบับซึ่งมีมากกว่า 100 หน้า ซึ่ง โพสต์พร้อมกัน บนเซิร์ฟเวอร์ arxiv.org เมื่อปีที่แล้ว เขาและ Bull แสดงให้เห็นว่าพฤติกรรมของ Trichoplax สามารถอธิบายได้ทั้งหมดในภาษาของฟิสิกส์และระบบไดนามิก ปฏิกิริยาทางกลที่เริ่มต้นที่ระดับซีเลียมเดียว จากนั้นเพิ่มจำนวนเซลล์เป็นล้านๆ เซลล์ และขยายไปสู่โครงสร้างในระดับที่สูงขึ้น อธิบายการเคลื่อนไหวที่ประสานกันของสัตว์ทั้งตัวได้อย่างเต็มที่ ร่างกายไม่ได้ “เลือก” ว่าจะทำอะไร ในทางกลับกัน ขนแต่ละเซลล์เคลื่อนตัวได้ และสัตว์โดยรวมก็แสดงราวกับว่ามันถูกควบคุมโดยระบบประสาท นักวิจัยยังแสดงให้เห็นว่าไดนามิกของ cilia แสดงคุณสมบัติที่มักถูกมองว่าเป็นจุดเด่นที่โดดเด่นของเซลล์ประสาท

งานนี้ไม่เพียงแต่แสดงให้เห็นว่ากลไกโต้ตอบแบบง่ายๆ สามารถสร้างความซับซ้อนที่เหลือเชื่อได้อย่างไร แต่ยังบอกเล่าเรื่องราวที่น่าสนใจเกี่ยวกับสิ่งที่อาจมีมาก่อนวิวัฒนาการของระบบประสาท

Orit Peleg แห่งมหาวิทยาลัยโคโลราโด โบลเดอร์ ผู้ซึ่งไม่ได้มีส่วนร่วมในการศึกษานี้ กล่าวว่า “มันเป็นพลังแห่งชีวฟิสิกส์” การค้นพบนี้เริ่มสร้างแรงบันดาลใจให้กับการออกแบบเครื่องจักรและหุ่นยนต์ และอาจถึงขั้นคิดใหม่เกี่ยวกับบทบาทของระบบประสาทในพฤติกรรมของสัตว์

พรมแดนระหว่างความเรียบง่ายและซับซ้อน

สมองถูกประเมินค่าเกินจริง “สมองเป็นสิ่งที่ทำงานได้เฉพาะในบริบทเฉพาะของร่างกายเท่านั้น” บูลกล่าว ในสาขาที่เรียกว่า “หุ่นยนต์นุ่ม” และ “สสารเคลื่อนไหว” การวิจัยได้แสดงให้เห็นว่าพลวัตทางกลที่เหมาะสมสามารถเป็นสิ่งที่จำเป็นสำหรับการทำงานที่ซับซ้อนให้สำเร็จโดยไม่ต้องมีการควบคุมจากส่วนกลาง อันที่จริง เซลล์เดี่ยวเท่านั้นที่มีความสามารถในการแสดงพฤติกรรมที่โดดเด่น และสามารถรวมตัวเองเป็นระบบส่วนรวม (เช่น ราเมือก หรือ ซีโนบอท ) ที่สามารถบรรลุผลได้มากกว่า ทั้งหมดนี้โดยไม่ต้องใช้เซลล์ประสาทหรือกล้ามเนื้อ

แต่เป็นไปได้ในระดับของสัตว์หลายเซลล์ทั้งหมดหรือไม่?

Trichoplax เป็นกรณีศึกษาที่สมบูรณ์แบบ: ง่ายพอที่จะศึกษาในรายละเอียดที่อุตสาหะ แต่ยังซับซ้อนพอที่จะนำเสนอสิ่งใหม่ ๆ ให้กับนักวิจัย เมื่อสังเกตดูแล้ว “คุณแค่ดูการเต้น” Prakash กล่าว “มันซับซ้อนอย่างไม่น่าเชื่อ” มันหมุนและเคลื่อนที่ข้ามพื้นผิว มันยึดตัวเองไว้เหนือแผ่นสาหร่ายเพื่อดักจับและกินพวกมันเป็นอาหาร มันสืบพันธุ์แบบไม่อาศัยเพศโดยแยกออกเป็นสองส่วน

Kirsty Wan นักวิจัยจากมหาวิทยาลัย Exeter ในอังกฤษ ผู้ซึ่งศึกษาเกี่ยวกับเลนส์ปรับเลนส์ กล่าวว่า “สิ่งมีชีวิตแบบนี้อยู่ในระบอบกลางที่ดีระหว่างสิ่งที่ซับซ้อนจริงๆ เช่น สัตว์มีกระดูกสันหลัง กับสิ่งที่เพิ่งจะซับซ้อน เช่น ยูคาริโอตที่มีเซลล์เดียว การเคลื่อนไหว

Manu_Prakash_at_TED.jpg

Manu Prakash นักชีวฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ด มีชื่อเสียงจากผลงานการพัฒนากล้องพับโฟลด์สโคป ซึ่งเป็นกล้องจุลทรรศน์ราคา 1 ดอลลาร์ที่ประกอบง่าย ตอนนี้งานวิจัยของเขากำลังให้ความกระจ่างว่าพฤติกรรมที่ซับซ้อนสามารถเกิดขึ้นได้จากระบบง่ายๆ ของเซลล์อย่างไร และระบบเหล่านี้สามารถใช้เป็นแรงบันดาลใจในการสร้างเครื่องจักรที่ดีขึ้นได้อย่างไร

จุดกึ่งกลางระหว่างเซลล์เดี่ยวกับสัตว์ที่มีกล้ามเนื้อและระบบประสาท ดูเหมือนจะเป็นสถานที่ที่สมบูรณ์แบบสำหรับ Prakash และ Bull ที่จะถามคำถามของพวกเขา “สำหรับฉัน สิ่งมีชีวิตคือความคิด” Prakash กล่าว – สนามเด็กเล่นสำหรับทดสอบสมมติฐานและแหล่งกำเนิดของความเข้าใจที่ลึกซึ้ง

Prakash ได้สร้างกล้องจุลทรรศน์แบบใหม่ที่สามารถตรวจสอบ Trichoplax จากด้านล่างและด้านข้าง และหาวิธีติดตามการเคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูงของตาของมัน (นี่ไม่ใช่อาณาเขตใหม่ทั้งหมดสำหรับเขา เนื่องจากเขามีชื่อเสียงอยู่แล้วสำหรับผลงานการพัฒนาโฟลด์สโคป ซึ่งเป็นกล้องจุลทรรศน์ที่ประกอบง่ายซึ่งมีราคาต่ำกว่า 1 ดอลลาร์ในการสร้าง) จากนั้นเขาก็สามารถเห็นและติดตามตาแต่ละล้านตัว ซึ่งแต่ละตาปรากฏเป็น จุดประกายเล็กๆ ในขอบเขตการมองเห็นของกล้องจุลทรรศน์เป็นเวลาเสี้ยววินาทีในแต่ละครั้ง “คุณแค่เห็นรอยเท้าขณะที่มันร่อนลงบนพื้นผิว” Prakash กล่าว

เขาและต่อมา Bull ซึ่งเข้าร่วมห้องทดลองของเขาเมื่อ 6 ปีที่แล้ว ใช้เวลาหลายชั่วโมงในการดูรูปแบบตามรอยเท้าเล็กๆ เหล่านั้น เพื่อให้รูปแบบที่ซับซ้อนเหล่านี้เป็นไปได้ นักวิทยาศาสตร์รู้ว่า cilia ต้องมีส่วนร่วมในการสื่อสารทางไกลบางประเภท แต่พวกเขาไม่รู้ว่าอย่างไร

ดังนั้นพวกเขาจึงเริ่มรวบรวมชิ้นส่วนต่างๆ จนกระทั่งปีที่แล้ว ในที่สุดพวกเขาก็ตัดสินใจว่าพวกเขามีเรื่องราวของพวกเขา

เดินบนออโต้ไพลอต

Prakash และ Bull เริ่มคาดหวังว่า cilia จะร่อนบนพื้นผิวด้วยชั้นบาง ๆ ของสัตว์แยกของเหลวและสารตั้งต้น อย่างไรก็ตาม โดยทั่วไปแล้ว cilia จะมองเห็นได้ในบริบทของของเหลว เช่น การขับแบคทีเรียหรือสิ่งมีชีวิตอื่นๆ ผ่านน้ำ หรือการเคลื่อนไหวของเมือกหรือน้ำไขสันหลังในร่างกาย แต่เมื่อนักวิจัยมองผ่านกล้องจุลทรรศน์ พวกเขาเห็นว่าตาดูเหมือนเดินได้ ไม่ใช่ว่ายน้ำ

แม้ว่าสิ่งมีชีวิตเซลล์เดียวบางตัวจะใช้ cilia ในการคลาน แต่ Wan ตั้งข้อสังเกตว่า การประสานงานแบบนี้ไม่เคยพบเห็นในระดับนี้ “แทนที่จะใช้ cilia เพื่อขับเคลื่อนของไหล มันคือทั้งหมดที่เกี่ยวกับกลไกและการเสียดสีและการยึดเกาะ และกลไกที่เป็นของแข็งที่น่าสนใจทุกประเภท” เธอกล่าว

กล้องจุลทรรศน์วิดีโอแสดงภาพด้านข้างของ Trichoplax ที่คลานไปทั่วพื้นผิวบน cilia นับพัน

มุมมองด้านข้างที่ขยายใหญ่ขึ้นของ Trichoplax ที่คลานไปทั่วพื้นผิวนี้แสดงให้เห็นว่าตาที่อยู่ด้านล่างของมันเคลื่อนไหวอย่างไรด้วยการเดิน การเคลื่อนไหวของส่วนรวมของ cilia นั้นประสานกันโดยสิ้นเชิงโดยปฏิสัมพันธ์ทางกล

Prakash Lab

ดังนั้น Prakash, Bull และ Laurel Kroo นักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาของ Stanford ในสาขาวิศวกรรมเครื่องกล ได้กำหนด ลักษณะการเดินของ cilia พวกเขาติดตามวิถีโคจรของปลายซีเลียมแต่ละตัวเมื่อเวลาผ่านไป เฝ้าดูมันกวาดเป็นวงกลมและกระแทกกับพื้นผิว พวกเขากำหนดปฏิสัมพันธ์สามประเภท: การลื่นไถลในระหว่างที่ตาแทบจะไม่กินหญ้า เดินเมื่อ cilia ยึดติดกับพื้นผิวชั่วครู่ก่อนที่จะโผล่ออกมา และชะงักงันเมื่อตาติดกับพื้นผิว

ในแบบจำลองของพวกเขา กิจกรรมการเดินเกิดขึ้นตามธรรมชาติจากการทำงานร่วมกันระหว่างแรงขับเคลื่อนภายในของตาและพลังงานของการยึดเกาะกับพื้นผิว ความสมดุลที่เหมาะสมระหว่างพารามิเตอร์ทั้งสอง (คำนวณจากการทดลองการวัดการวางแนวของตา ความสูง และความถี่ในการตี) ส่งผลให้เกิดการเคลื่อนไหวตามปกติ โดยซีเลียมแต่ละตัวเกาะติดแล้วยกออกเหมือนขา ยอดคงเหลือที่ไม่ถูกต้องทำให้เกิดขั้นตอนที่ลื่นไถลหรือจนตรอก

ไซมอน สปอนเบิร์ก นักชีวฟิสิกส์จากสถาบันจอร์เจีย กล่าวว่า “เรามักจะคิดว่า เมื่อเรามีอะไรเกิดขึ้นเช่นนั้น แสดงว่าเรามีสัญญาณนาฬิกาภายในที่บอกว่า ‘ตกลง ไป หยุด เดี๋ยวนี้ ไป หยุดเดี๋ยวนี้’” ของเทคโนโลยี “นั่นไม่ใช่สิ่งที่เกิดขึ้นที่นี่ ตาจะไม่ก้าว ไม่มีสิ่งสำคัญที่จะบอกว่า ‘ไป ไป ไป’ มันคือปฏิกิริยาทางกลที่สร้างบางสิ่งที่ผ่านไป ไป ไป”

นอกจากนี้ การเดินยังสามารถจำลองเป็นระบบที่กระตุ้นได้ ซึ่งเป็นระบบที่ภายใต้เงื่อนไขบางประการ สัญญาณจะกระจายและขยายออกไป แทนที่จะค่อยๆ หน่วงและหยุดนิ่ง เซลล์ประสาทเป็นตัวอย่างที่คลาสสิกของระบบที่กระตุ้นได้: การรบกวนของแรงดันไฟฟ้าเล็กน้อยอาจทำให้เซลล์เกิดเพลิงไหม้อย่างกะทันหัน และสถานะที่กระตุ้นใหม่จะแพร่กระจายไปยังส่วนที่เหลือของระบบ ปรากฏการณ์เดียวกันนี้ดูเหมือนจะเกิดขึ้นในตา ในการทดลองและการจำลอง การรบกวนเล็กน้อยในความสูงแทนที่จะเป็นแรงดันไฟฟ้า ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงที่ค่อนข้างใหญ่ในกิจกรรมของตาในบริเวณใกล้เคียง: พวกมันสามารถเปลี่ยนการวางแนวในทันที และแม้กระทั่งเปลี่ยนจากสถานะหยุดนิ่งไปเป็นแบบเดินได้ “มันไม่เชิงเส้นอย่างเหลือเชื่อ” Prakash กล่าว

อันที่จริง แบบจำลอง cilia ของ Prakash, Bull และ Kroo นั้นทำแผนที่ได้เป็นอย่างดีบนแบบจำลองที่สร้างขึ้นสำหรับศักยภาพในการดำเนินการในเซลล์ประสาท “ปรากฏการณ์พิเศษแบบนี้ยอมรับตัวเองว่าเป็นการเปรียบเทียบที่น่าสนใจมากกับสิ่งที่คุณเห็นในไดนามิกที่ไม่เป็นเชิงเส้นของเซลล์ประสาทเดี่ยว” บูลกล่าว

สปอนเบิร์กตกลง “มันคล้ายกันมากจริงๆ” เขากล่าว “คุณสร้างพลังงานขึ้นมา แล้วก็ป๊อป แล้วก็ป๊อป แล้วก็ป๊อป”

Cilia Flocking Like Birds

ด้วยคำอธิบายทางคณิตศาสตร์ในมือ Prakash และ Bull มองว่าซีเลียมแต่ละตัวผลักและดึงเพื่อนบ้านเมื่อมีปฏิสัมพันธ์กับพื้นผิวอย่างไร และกิจกรรมอิสระทั้งหมดสามารถรวมกันเป็น สิ่งที่สอดคล้องและสอดคล้องกัน ได้อย่างไร

พวกเขาวัดว่าการเคลื่อนไหวทางกลของแต่ละซีลีเนียมทำให้เกิดความผันผวนเพียงเล็กน้อยในความสูงของเนื้อเยื่อ จากนั้นพวกเขาจึงเขียนสมการว่าสิ่งนี้จะดึงเซลล์ใกล้เคียงมาส่งผลต่อพฤติกรรมของพวกเขาอย่างไร แม้ว่าเซลล์ตาบนเซลล์เหล่านั้นจะหมุนเวียนไปตามการเคลื่อนไหวของพวกมันเอง — เหมือนกับเครือข่ายของสปริงที่มัดมอเตอร์ที่สั่นไหวเล็กๆ ไว้ด้วยกัน

เมื่อนักวิจัยจำลองแบบ “การเต้นรำระหว่างความยืดหยุ่นและกิจกรรม” Prakash กล่าว พวกเขาเห็นว่าปฏิสัมพันธ์ทางกลของ cilia ที่ผลักกับสารตั้งต้นและเซลล์ที่ดึงเข้าหากัน – ส่งข้อมูลไปทั่วสิ่งมีชีวิตอย่างรวดเร็ว การกระตุ้นบริเวณหนึ่งทำให้เกิดคลื่นของการวางแนวตาที่ซิงโครไนซ์ซึ่งเคลื่อนผ่านเนื้อเยื่อ “ความยืดหยุ่นและความเครียดนี้ในฟิสิกส์ของซีเลียมเดินได้ ซึ่งตอนนี้คูณด้วยจำนวนนับล้านในแผ่นงาน อันที่จริงแล้วทำให้เกิดพฤติกรรมเคลื่อนที่ที่สอดคล้องกัน” Prakash กล่าว

และรูปแบบการวางแนวที่ซิงโครไนซ์อาจซับซ้อน บางครั้งกิจกรรมของระบบทำให้เกิดกระแสน้ำวน โดยที่ cilia จะอยู่รอบจุดเดียว ในอีกกรณีหนึ่ง ตาปรับใหม่เป็นเสี้ยววินาที โดยตอนแรกจะชี้ไปทางเดียวแล้วอีกทางหนึ่ง โดยอาจรวมกลุ่มกันเป็นกลุ่มนกกิ้งโครงหรือฝูงปลา ส่งผลให้เกิดความว่องไวที่ทำให้บางครั้งสัตว์เปลี่ยนทิศทางได้ ในราคาเล็กน้อย

ภาพถ่ายของ Manu Prakash จากมหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ดที่ยืนอยู่ในอ่าวมอนเทอเรย์

Prakash ใช้เวลาหลายชั่วโมงในการรวบรวมตัวอย่าง Trichoplax ใน Pacific Grove รัฐแคลิฟอร์เนีย

เอมิลี่ อันเดอร์วู้ด

“เราประหลาดใจมากเมื่อเห็นขนตาเหล่านี้ปรับทิศทางใหม่ในช่วงเวลาที่สอง” บูลกล่าว

การฝูงแกะที่คล่องแคล่วนั้นน่าสนใจเป็นพิเศษ การฝูงมักเกิดขึ้นในระบบที่ทำหน้าที่เหมือนของเหลว ตัวอย่างเช่น นกและปลาแต่ละตัวสามารถแลกเปลี่ยนตำแหน่งกับเพื่อนได้อย่างอิสระ แต่นั่นไม่สามารถเกิดขึ้นได้ใน Trichoplax เพราะ cilia เป็นส่วนประกอบของเซลล์ที่มีตำแหน่งตายตัว ตาเคลื่อนไหวเป็น “ฝูงแข็ง” Ricard Alert นักฟิสิกส์จากสถาบัน Max Planck สำหรับฟิสิกส์ของระบบที่ซับซ้อนในเยอรมนีกล่าว

Prakash และ Bull ยังพบในการจำลองว่าการส่งข้อมูลเป็นแบบเลือก: หลังจากสิ่งเร้าบางอย่าง พลังงานที่ฉีดเข้าสู่ระบบโดย cilia ก็สลายไปแทนที่จะกระจายและเปลี่ยนพฤติกรรมของสิ่งมีชีวิต “เราใช้สมองทำสิ่งนั้นตลอดเวลา ดูด้วยตาและรับรู้สถานการณ์ และพูดว่า ‘ฉันต้องเพิกเฉยหรือตอบสนองต่อสิ่งนั้น’” สปอนเบิร์กกล่าว

ในที่สุด Prakash และ Bull พบว่าพวกเขาสามารถเขียน ชุดกฎกลไก สำหรับเวลาที่ Trichoplax อาจหมุนเข้าที่หรือเคลื่อนที่เป็นวงกลมไม่สมมาตร เมื่อมันอาจเดินตามทางตรงหรือเบี่ยงไปทางซ้ายอย่างกะทันหัน และเมื่อใดจึงอาจใช้ กลไกของมันเองที่จะฉีกตัวเองออกเป็นสองสิ่งมีชีวิตที่แยกจากกัน

Prakash กล่าวว่า “วิถีโคจรของสัตว์เองนั้นได้รับการเข้ารหัสอย่างแท้จริง” ในคุณสมบัติทางกลง่ายๆ เหล่านี้

เขาคาดการณ์ว่าสัตว์อาจใช้ประโยชน์จากพลวัตของการหมุนและการคลานเหล่านี้ ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของกลยุทธ์ “วิ่งแล้วกลิ้ง” ในการค้นหาอาหารหรือทรัพยากรอื่นๆ ในสภาพแวดล้อมของสัตว์ เมื่อ cilia เรียงตัวกัน สิ่งมีชีวิตอาจ “วิ่ง” ไปในทิศทางที่ได้ผลดี เมื่อทรัพยากรนั้นดูเหมือนจะหมดลง Trichoplax อาจใช้สถานะกระแสน้ำวนปรับเลนส์เพื่อเปลี่ยนและสร้างแผนภูมิเส้นทางใหม่

หากการศึกษาเพิ่มเติมแสดงให้เห็นว่าเป็นความจริง “นั่นจะเป็นเรื่องที่น่าตื่นเต้นมาก” Jordi Garcia-Ojalvo ศาสตราจารย์ด้านชีววิทยาระบบที่มหาวิทยาลัย Pompeu Fabra ในบาร์เซโลนากล่าว กลไกนี้จะเป็นตัวเชื่อมระดับ ไม่ใช่แค่จากโครงสร้างโมเลกุลไปจนถึงเนื้อเยื่อสู่สิ่งมีชีวิต แต่รวมถึงระบบนิเวศด้วยเช่นกัน

อันที่จริง สำหรับนักวิจัยหลายคน นั่นเป็นส่วนสำคัญที่ทำให้งานนี้มีเอกลักษณ์และน่าสนใจ โดยปกติ แนวทางฟิสิกส์ที่ใช้กับระบบชีวภาพอาจอธิบายกิจกรรมที่ระดับความซับซ้อนหนึ่งหรือสองระดับ แต่ไม่ใช่ที่ระดับพฤติกรรมสำหรับสัตว์ทั้งตัว “มันเป็นความสำเร็จ … หายากจริงๆ” Alert กล่าว

Portrait-2-CORRECTED-e1647532565677.jpg

ในฐานะนักศึกษาปริญญาเอกที่มหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ด Matthew Storm Bull ศึกษาและจำลองพฤติกรรมของ Trichoplax โดยใช้ภาษาของฟิสิกส์และระบบไดนามิก

กลไกแต่ละมาตราส่วนเหล่านี้น่ายินดียิ่งกว่าเดิม โดยอาศัยหลักการที่สะท้อนพลวัตของเซลล์ประสาท “รุ่นนี้เป็นแบบกลไกล้วนๆ” Sponberg กล่าว “อย่างไรก็ตาม ระบบโดยรวมยังคงมีคุณสมบัติมากมายที่เราเชื่อมโยงกับระบบประสาท” — มันสร้างขึ้นจากพื้นฐานของความตื่นเต้นง่าย มันสร้างความสมดุลอย่างระมัดระวังอย่างต่อเนื่องระหว่างความไวและความเสถียร และสามารถทำให้เกิดพฤติกรรมส่วนรวมที่ซับซ้อนได้

“ระบบกลไกจะพาคุณไปได้ไกลแค่ไหน” เขาเพิ่ม. “พวกเขาสามารถพาคุณไปได้ไกลจริงๆ”

นั่นมีความหมายว่านักประสาทวิทยาคิดอย่างไรเกี่ยวกับความเชื่อมโยงระหว่างกิจกรรมทางประสาทและพฤติกรรมโดยทั่วไป “สิ่งมีชีวิตเป็นวัตถุจริงในอวกาศ” Ricard Solé นักชีวฟิสิกส์จาก ICREA สถาบัน Catalan Institution for Research and Advanced Studies ในสเปนกล่าว หากกลไกเพียงอย่างเดียวสามารถอธิบายพฤติกรรมง่ายๆ บางอย่างได้ นักประสาทวิทยาอาจต้องการมองอย่างใกล้ชิดมากขึ้นว่าระบบประสาทใช้ประโยชน์จากชีวฟิสิกส์ของสัตว์เพื่อดึงพฤติกรรมที่ซับซ้อนในสถานการณ์อื่นๆ ออกไปได้อย่างไร

“สิ่งที่ระบบประสาทกำลังทำอยู่อาจไม่ใช่สิ่งที่เราคิดว่ามันกำลังทำอยู่” สปอนเบิร์กกล่าว

ก้าวสู่ความเป็นหลายเซลล์

“การดู [ Trichoplax ] สามารถให้ข้อมูลเชิงลึกมากมายเกี่ยวกับสิ่งที่จำเป็นในการพัฒนากลไกการควบคุมที่ซับซ้อนมากขึ้น เช่น กล้ามเนื้อและระบบประสาท” นายวรรณกล่าว “ก่อนที่คุณจะมีสิ่งนั้น สิ่งที่ดีที่สุดต่อไปคืออะไร? อาจจะเป็นแบบนี้ก็ได้”

การแจ้งเตือนตกลง “มันเป็นวิธีง่ายๆ ในการมีพฤติกรรมของสิ่งมีชีวิต เช่น ความว่องไว ซึ่งอาจเป็นวิธีที่เกิดขึ้นตั้งแต่เนิ่นๆ ผ่านการวิวัฒนาการ ก่อนที่ระบบประสาทจะได้รับการพัฒนา” เขากล่าว “บางทีสิ่งที่เราเห็นอาจเป็นแค่ซากดึกดำบรรพ์ของสิ่งที่เคยเป็นบรรทัดฐานในตอนนั้น”

Solé มองว่า Trichoplax ครอบครอง “เขตพลบค่ำ … ท่ามกลางการเปลี่ยนแปลงครั้งใหญ่ไปสู่ความเป็นหลายเซลล์ที่ซับซ้อน” ดูเหมือนว่าสัตว์จะเริ่มมี “เงื่อนไขเบื้องต้นสำหรับการบรรลุความซับซ้อนที่แท้จริงซึ่งดูเหมือนว่าเซลล์ประสาทจะมีความจำเป็น”

Prakash, Bull และผู้ทำงานร่วมกันกำลังมองหาว่า Trichoplax อาจมีความสามารถในพฤติกรรมประเภทอื่นหรือแม้แต่การเรียนรู้ มันสามารถบรรลุอะไรได้อีกในบริบทสิ่งแวดล้อมที่แตกต่างกัน? การพิจารณาชีวเคมีนอกเหนือจากกลไกของมันจะเปิดขึ้นอีกระดับของพฤติกรรมหรือไม่?

นักวิจัยยังใช้หลักการบางอย่างที่พวกเขาค้นพบเพื่อสร้างสิ่งที่พวกเขาเรียกว่า “เครื่องจักรที่รับรู้ได้” – ระบบหุ่นยนต์และวัสดุอัจฉริยะที่ทำงานบางอย่างโดยไม่มีการควบคุมจากส่วนกลางโดยใช้คุณสมบัติทางกลของพวกเขา “ตอนนี้ เรามีพิมพ์เขียวที่ยืมมาจากระบบนี้ และเราสามารถเพิ่มมันได้อีกมากจากจินตนาการของเราเช่นกัน” Prakash กล่าว

นักศึกษาในห้องทดลองของ Prakash ได้เริ่มสร้างตัวอย่างการทำงานของเครื่องจักรเหล่านั้นแล้ว ตัวอย่างเช่น Kroo ได้สร้าง อุปกรณ์ว่ายน้ำของหุ่นยนต์ที่ ขับเคลื่อนด้วยวัสดุที่มีความยืดหยุ่นสูงที่เรียกว่าแอคทีฟโฟม: เมื่อวางลงในของเหลวที่ไม่ใช่ของนิวโทเนียน เช่น สารแขวนลอยของแป้งข้าวโพด มันสามารถขับเคลื่อนตัวเองไปข้างหน้าได้

“คุณอยากไปใหญ่แค่ไหน” เปเลกถาม “คุณสามารถสร้างสมองจากเครือข่ายกลไกประเภทนี้ได้หรือไม่”

Prakash มองว่านี่เป็นเพียงบทแรกในสิ่งที่น่าจะเป็นเทพนิยายที่ยาวนานหลายทศวรรษ “การพยายามทำความเข้าใจสัตว์ตัวนี้อย่างแท้จริงคือการเดินทาง 30 หรือ 40 ปีสำหรับฉัน” เขากล่าว “เราได้เสร็จสิ้นทศวรรษแรกของเราแล้ว… มันเป็นจุดสิ้นสุดของยุคหนึ่งและเป็นจุดเริ่มต้นของอีกยุคหนึ่ง”

ใส่ความเห็น