Du kan lære meget af en lille slimforme. For Nate Cira, adjunkt i biomedicinsk teknik i Cornell Engineering, gav den lille eukaryotiske organisme inspiration til modellering af “rejsenetværk” – forbundne systemer, der bevæger sig ved at omarrangere deres struktur.
At forstå disse netværk kan hjælpe med at forklare strukturer og bevægelser af visse biologiske systemer og menneskelige organisationer fra proteinenheder, der samler sig selv til virksomheder, der udvider deres produktlinjer.
Resultaterne blev offentliggjort 26. februar i Naturkommunikation.
Det hele begyndte med et spil.
Som kandidatstuderende tog CIRA et kursus med professor Ingmar H. Riedel-Kruse ved Stanford University, hvor studerende spillede “biotiske spil” med enkle organismer som et middel til at udforske deres biologiske processer.
Det pågældende spil satte en slimformeorganisme i en “arena” af agar. Eleverne ledede derefter formeens bevægelser ved at deponere mad i form af havregryndråber via et robotsystem. Cira bemærkede, at formen bevægede sig på en nysgerrig måde, som et træ, der kravler ved at udvide nogle af sine grene, samtidig med at de trækker andre tilbage.
Længe efter, at klassen var afsluttet, fortsatte Cira sammen med Riedel-Kruse, nu på University of Arizona, og en gruppe samarbejdspartnere med at lege med organismenes nysgerrige bevægelse. Sammen byggede de en legetøjsmodel af organismen for at forstå, hvordan den fungerede, og de opfandt et udtryk for at beskrive den: et rejsenetværk.
Mens mange typer netværk er blevet undersøgt og ekspliceret i detaljer – fra neurale og sociale netværk til fotoniske nanostrukturer – blev CIRA overrasket over at finde en mangel på arbejde med systemer, der bevæger sig gennem rummet ved at omarrangere deres strukturer.
Lidt vidste han, at det at studere enhver facet og funktion i modellen ville blive “et slags langvarigt lidenskabsprojekt, et af disse ting, som jeg fortsatte med at hoppe med på siden, bare afdække frisk og interessant indsigt og ting at udforske,” sagde Cira, hvis hovedområde er mikrofluidik. “Det er næsten mere en hobby end at arbejde på en eller anden måde. Men det blev til noget ganske smukt i sidste ende.”
Modellen er i det væsentlige en graf over kanter og knudepunkter. Enhver knude kan højst have tre kanter, hvilket giver den en trælignende form. Strukturen kan manipuleres for at bevæge sig ved et par enkle handlinger: bladet, dvs. spidsen af en gren, kan vokse; Det kan splittes for at generere to nye kanter; Eller det kan trække sig tilbage, indtil det forsvinder.
“Det er faktisk en meget enkel model,” sagde Cira. “Det involverer kun et par grundlæggende handlinger, og på grund af disse dynamiske omarrangementer rejser det over til et nyt område, ligesom organismen gør.”
Modellen i bevægelse ligner de rudimentære skærmbilleder af i går, men der er ikke noget enkelt ved at forklare en struktur, der konstant omarrangerer sig selv, når den bevæger sig. Cira krediterede sine samarbejdspartneres tålmodighed for en udtømmende behandling af emnet – arbejde, der strækkede sig i omtrent et årti.
For at karakterisere det rejsende netværks opførsel afledte teamet matematiske forhold og visualiserede netværksadfærd gennem simulering. Netværkets evne til selvorganisation til det punkt, der er klar mellem vækst og forfald, gjorde det også muligt for det at reagere på små ændringer i dets miljø, som forskerne demonstrerede ved at introducere digital havregryn for modellen at gabble op som Pac-Man.
“Vi forsøgte at udlede så meget som vi kunne matematisk, om hvorfor har det det fraktale lignende udseende af et træ? Hvor meget kan vi sige om bevægelsens egenskaber? Og hvad betyder det for systemer som dette?” sagde Cira, der hentede inspiration fra en række fysikdiscipliner, såsom studiet af polymerer og jordskælv, for at afklare mekanismerne på arbejdet.
Blandt de systemer, der passer til kriterierne for rejsenetværk, identificerede forskerne meget forskellige kandidater: actin-cytoskelettet-et netværk af monomere proteinenheder, der adskiller og samles, skaber en grenlignende struktur, der driver bevægelsen af celler-og på et mere konceptuelt niveau, Nokia-selskabet.
”Folk taler ofte om virksomheder, der forgrener sig til nye markeder eller skærer en produktlinje,” sagde Cira. “Nokia startede i papir og forgrenede sig til gummimarkeder og lavede derefter elektriske ledninger belagt med gummi. Det fik dem til elektronik af alle forskellige slags, især telefoner. Og så kom iPhone til sidst ud og decimerede deres forretning fuldstændigt i denne sektor.”
På et tidspunkt spekulerede forskerne på, om konceptet også kunne anvendes til kunst. Mens udsigten til at have en videnskabelig teori, der forklarer udviklingen af Picasso eller den kroniske genopfindelse af David Bowie, bestemt er lokkende, fandt Cira, at den type progression stadig sværere at kvantificere. Men med mindre ineffektive systemer, såsom genstrømmen mellem opdrivende populationer eller kommunikation mellem sværmende robotter, kan den rejsenetværksmodel være en nyttig ramme for forskere og et springbræt til mere kompliceret modellering.
“Hvorvidt det betyder, at de vil bruge nogen af den matematik, som vi brugte så meget tid på at udlede, er det tilbage at se,” sagde Cira. “Og det skal stadig bestemmes, om denne specifikke model er direkte anvendelig for ethvert system, men hvis vores arbejde er en indikation, er studiet af tilsluttede dynamiske systemer, der rejser gennem rummet, at være fulde af rige indsigter.”
Medforfattere inkluderer forskere fra Stanford, Harvard University, University of New South Wales og University of California, Berkeley.