Новости космоса и технологий. » Физика » Использование физики для отображения хаоса движения живых организмов

Использование физики для отображения хаоса движения живых организмов

Опубликовал: Admin, 6-10-2020, 01:01, Физика, 49, 0

Использование физики для отображения хаоса движения живых организмов
Nature Physics ." width = "800" height = "226">

Поведение живых организмов может подчиняться тем же математическим законам, что и физические явления, такие как погода и движение планет, говорится в новом исследовании Отдела теории биологической физики Окинавского института науки и технологий аспирантуры (OIST).

У физики есть история успешного предсказания и моделирования движения в самых разных масштабах, от молекул до сталкивающихся черных дыр. Но когда дело доходит до поведения живых организмов, эта концепция все еще очень нова. Недавний доктор философии OIST. выпускник, доктор Тосиф Ахамед, входит в группу ученых, которые являются пионерами в этой области. Его исследование, опубликованное в Природа Физика , использовал вид крошечного червяка Caenorhabditis elegans , чтобы предложить основу для отображения математической структуры движущихся животных.

«Неврология имеет тенденцию сосредотачиваться на том, что происходит внутри мозга, - сказал доктор Ахамед. «Но это часто выражается в движениях и поведении животных. Поэтому понимание их поведения дает нам окно в их мозг. В последнее время произошел взрыв технологий, которые могут записывать поведение животных в высоком разрешении».

Профессор Грег Стивенс, возглавляющий отдел OIST, добавил к этому: «Замечательный технический прогресс позволил проводить новые точные измерения живых систем во всех масштабах, от молекул ДНК до клеток мозга и целых организмов. Но в настоящее время у нас нет фундаментальной основы. для понимания динамики этих систем и последовательности измерений во времени. Наша работа, представленная здесь, поможет это изменить ».

C. elegans были важным видом для многих новаторских проектов в области биологии и нейробиологии, но именно их простота сделала их идеальными для этого исследования. Как объяснил доктор Ахамед, математически говоря, форма черви на двумерной пластине - это просто кривая, которую относительно легко описать.

Исследовательская группа, в которую входил доктор Антонио Коста из Vrije Universiteit Amsterdam, использовала видеозаписи червя с высоким разрешением и преобразовала форму в каждом кадре в набор чисел. Для этого они разделили червяк на 100 точек и измерили касательные углы в этих точках. Ранее исследователи обнаружили, что поза червя может быть представлена ​​всего четырьмя стереотипными формами, которые они окрестили «собственными червями». По сути, смешивая этих собственных червей в разных количествах, любой может нарисовать, как выглядит червь в данный момент.

Но в этом исследовании исследователи заглянули глубже. Вместо того, чтобы рисовать червя за один момент, они стремились «нарисовать» динамику его поведения, по сути, найти структуру в последовательности форм червя.

Аналогия с маятником

Покажите кому-нибудь мгновенную точку качающегося маятника, и он сможет представить, как он выглядит в этот момент времени, но это ничего не говорит им о том, что маятник делает. Но покажите кому-нибудь текущую точку и дополнительную точку в предыдущий раз, и он будет знать все как о том, что маятник делает сейчас, так и о том, что он будет делать в будущем.

Исследовательская группа применила аналогичный подход при изучении животных, но это было намного сложнее, чем с маятником. Сначала исследователям пришлось разработать новую метрику предсказуемости. Это измеряет продолжительность, в течение которой будущее системы может быть предсказано лучше, чем просто случайное предположение. Затем они собрали последовательности форм и использовали их для определения текущего состояния червя. Исследователи обнаружили семь последовательностей стереотипных форм, и все они прекрасно поддаются интерпретации.

Однако, в отличие от маятника, исследователи не могли предсказать поведение червя на неопределенный срок. «Это как с погодой», - сказал доктор Ахамед. «Мы находимся в точке, где мы можем предсказывать погоду с высокой степенью уверенности на сегодня и завтра, но после этого она становится совершенно случайной. Если я знаю, что делает червь сейчас, то я могу довольно уверенно сказать вам, что это такое. собираюсь сделать в следующее мгновение. Но как только мы дойдем до двух или трех секунд позже, это станет труднее ".

Доктор Ахамед хотел выяснить, почему движение настолько непредсказуемо. Дальнейший анализ их данных показал, что хаотическая динамика может сыграть свою роль.

Хаотическая динамика относится к системам, в которых небольшие погрешности в измерениях могут сделать невозможными долгосрочные прогнозы. Это может произойти, даже если на систему не влияют случайные колебания.

Классический пример - двойной маятник . Даже если несколько двойных маятников запускаются примерно из одного и того же положения, через короткий промежуток времени маятники будут совершать очень разные движения.

Исследовательская группа исследовала эти идеи с помощью червей. Они обнаружили, что если два червя начинают вести себя одинаково, они будут продолжать вести себя одинаково в течение короткого времени (около одной секунды), прежде чем их поведение изменится. Примечательно, что время, необходимое для возникновения этого расхождения, определяется математической величиной, которая является фундаментальной мерой предсказуемости в хаотических системах.

Они также смотрели на движение через объектив, более основанный на геометрии, отображая все точки, в которых был червь, чтобы сформировать форму. Удивительно, но их результаты показали, что ошибка математическая структура лежащее в основе поведение червя тесно связано с тем, что управляет явлениями энергосбережения. Это было неожиданно, поскольку черви, как и все биологические системы, теряют энергию из-за трения окружающей среды и использования мышц.

«Мы никогда не ожидали найти эту структуру, лежащую в основе поведения», - объяснил д-р Ахамед. «Это определенно была самая удивительная часть нашего исследования».

Хотя это исследование рассматривало конкретно C. elegans , разработанная структура должна использоваться в биологическом мире.

«Обычно люди не думают, что живые организмы можно моделировать математически», - сказал д-р Ахамед. «Но есть конечное число движений, которые может совершать любое животное, и есть измеримая вероятность того, что они будут делать одни движения по сравнению с другими. Сейчас мы находимся на этапе, когда мы можем найти математические основы. Затем мы разработаем уравнения и модели для объяснения этих рамок ".


Источник


У данной публикации еще нет комментариев. Хотите начать обсуждение?

Написать комментарий
Имя:*
E-Mail:
Введите код: *
Кликните на изображение чтобы обновить код, если он неразборчив


Поиск по сайту
Полезные ссылки
Оцените работу сайта

TEHNONEWS

Новости космоса технологий нанотехнологий физики и химии