Ved hjælp af fysik til at kortlægge bevægelsens kaos i levende organismer

Levende organismers adfærd kan adlyde de samme matematiske love som fysiske fænomener, såsom vejr og planeternes bevægelse, siger ny forskning fra Biological Physics Theory Unit ved Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST).

Fysik har en historie med succesfuldt at forudsige og modellere bevægelse på tværs af vidt forskellige skalaer, fra molekyler til kolliderende sorte huller. Men når det kommer til levende organismers adfærd, konceptet er stadig meget nyt. Seneste OIST Ph.D. bestå, Dr. Tosif Ahamed, er en del af en gruppe videnskabsmænd, der er pionerer på dette område. Hans forskning, udgivet i Naturfysik , brugte en art af en lille orm, Caenorhabditis elegans , at foreslå en ramme til at fange den matematiske struktur, der ligger til grund for bevægende dyr.

"Neurovidenskab har en tendens til at fokusere på, hvad der foregår inde i hjernen, "Dr. Ahamed sagde." Men dette kommer ofte til udtryk gennem et dyrs bevægelse og adfærd. Derfor, at forstå deres adfærd giver os et vindue ind i deres hjerner. For nylig, der har været en eksplosion af teknologi, der kan registrere dyrs adfærd i høj opløsning. "

Professor Greg Stephens, der leder OIST -enheden, tilføjet til dette, "Bemærkelsesværdige teknologiske fremskridt har muliggjort nye, præcisionsmålinger af levende systemer på alle skalaer, fra DNA-molekyler til hjerneceller, til hele organismer. Men vi mangler i øjeblikket en grundlæggende ramme for at forstå dynamikken i disse systemer og sekvenserne af målinger over tid. Vores arbejde rapporteret her vil hjælpe med at ændre det."

C. elegans har været en vigtig art for mange banebrydende projekter inden for biologi og neurovidenskab, men det er deres enkelhed, der gjorde dem ideelle til denne undersøgelse. Som Dr. Ahamed forklarede, matematisk set, ormens form på en 2-D plade er simpelthen en kurve, hvilket er relativt nemt at beskrive.

Forskergruppen, som omfattede Dr. Antonio Costa fra Vrije Universiteit Amsterdam, brugte højvideooptagelser af ormen, og konverterede formen i hver ramme til et sæt tal. At gøre dette, de inddelte ormen i 100 punkter og målte tangentvinklerne i disse punkter. Forskerne havde tidligere fundet ud af, at en ormes holdning kun kunne repræsenteres af fire stereotype former, som de kaldte 'egenorme' for. I det væsentlige, ved at blande disse egenorme i forskellige mængder, enhver kan tegne, hvordan en orm ser ud på et givet øjeblik.

Men i denne undersøgelse kiggede forskerne dybere. I stedet for at tegne ormen på et enkelt øjeblik, de søgte at 'tegne' dynamikken i dens adfærd, i det væsentlige for at finde strukturen i en sekvens af ormeformer.

Pendulet analogien

Vis nogen det øjeblikkelige punkt af et svingende pendul, og de vil være i stand til at forestille sig, hvordan det ser ud på det tidspunkt, men dette fortæller dem intet om, hvad pendulet laver. Men vis nogen det aktuelle punkt og et ekstra punkt på et tidligere tidspunkt, og de ved alt om både hvad pendulet gør nu og hvad det vil gøre i fremtiden.

Forskningsgruppen havde en lignende tilgang, da han undersøgte dyrene, men dette var meget vanskeligere end med pendulet. Først skulle forskerne udvikle en ny metrik for forudsigelighed. Dette måler varigheden af, hvor længe et systems fremtid kunne forudsiges bedre end blot tilfældig gæt. De indsamlede derefter formsekvenser og brugte dem til at definere en orms nuværende tilstand. Forskerne fandt syv stereotype formsekvenser, som alle var bemærkelsesværdigt fortolkelige.

Imidlertid, i modsætning til pendulet, forskerne kunne ikke forudsige ormens adfærd på ubestemt tid. "Det er ligesom med vejret, "Dr. Ahamed sagde." Vi er på et tidspunkt, hvor vi kan forudsige vejret med en høj grad af sikkerhed for i dag og i morgen, men derefter bliver det ret tilfældigt. Hvis jeg ved, hvad en orm gør nu, så kan jeg helt sikkert fortælle dig, hvad det kommer til at gøre i det næste øjeblik. Men når vi når to eller tre sekunder senere, det bliver sværere."

Dr. Ahamed ønskede at undersøge, hvorfor bevægelser så uforudsigelige. Yderligere analyse af deres data antydede, at kaotisk dynamik kunne spille en rolle.

Kaotisk dynamik refererer til systemer, hvor små usikkerheder i målinger kan umuliggøre langsigtede forudsigelser. Dette kan ske, selv når et system ikke er påvirket af tilfældige udsving.

Et klassisk eksempel på dette er et dobbelt pendul. Selvom flere dobbelte pendler startes fra nogenlunde samme position, Pendulerne vil lave meget forskellige bevægelser efter kort tid.

Forskergruppen udforskede disse ideer med ormene. De fandt ud af, at hvis to orme starter med lignende adfærd, de vil fortsætte med at handle på samme måde i kort tid (omkring et sekund), før deres adfærd divergerer. Bemærkelsesværdigt, den tid, det tager for denne divergens at opstå, bestemmes af en matematisk størrelse, som er et grundlæggende mål for forudsigelighed i kaotiske systemer.

De så også på bevægelsen gennem en mere geometri-baseret linse, ved at kortlægge alle de punkter, som en orm havde været for at danne en form. Overraskende nok, deres resultater viste, at den matematiske struktur, der ligger til grund for ormeadfærd, er tæt forbundet med en, der styrer energibesparende fænomener. Dette var uventet som orme, ligesom alle biologiske systemer, miste energi ved miljømæssig friktion og muskelbrug.

"Vi forventede aldrig at finde denne struktur, der ligger til grund for adfærden, " forklarede Dr. Ahamed. "Det var absolut den mest overraskende del af denne forskning."

Selvom denne undersøgelse så specifikt på C. elegans , den udviklede ramme skal kunne bruges på tværs af den biologiske verden.

"Folk tror generelt ikke, at levende organismer kan modelleres matematisk, "sagde Dr. Ahamed." Men der er et begrænset antal bevægelser, som ethvert dyr kan foretage, og der er en målbar sandsynlighed for, at de vil foretage bestemte bevægelser frem for andre. Vi er nu på det stadie, hvor vi kan finde matematiske rammer. Næste, vi udvikler ligninger og modeller til at forklare disse rammer. "