Küçük bir balçık kalıbından çok şey öğrenebilirsiniz. Cornell Mühendisliği’nde biyomedikal mühendisliği yardımcı doçenti Nate Cira için, küçük ökaryotik organizma, yapılarını yeniden düzenleyerek hareket eden bağlantılı sistemler olan “seyahat ağlarını” modellemek için ilham verdi.
Bu ağları anlamak, bazı biyolojik sistemlerin ve insan organizasyonlarının yapılarını ve hareketlerini, kendilerini yeniden birleştiren protein birimlerinden ürün hatlarını genişleten şirketlere kadar açıklamaya yardımcı olabilir.
Bulgular 26 Şubat’ta yayınlandı Doğa İletişimi.
Her şey bir oyunla başladı.
Lisansüstü bir öğrenci olarak CIRA, Stanford Üniversitesi’nde Profesör Ingmar H. Riedel-Kruse ile öğrencilerin biyolojik süreçlerini keşfetmek için basit organizmalarla “biyotik oyunlar” oynadığı bir ders aldı.
Söz konusu oyun Agar’ın “arenasına” bir balçık kalıp organizması koydu. Öğrenciler daha sonra, yulaf ezmesi damlacıkları şeklinde yiyecekleri robotik bir sistem aracılığıyla yatırarak kalıbın hareketlerini yönlendirdiler. Cira, kalıbın, bazı dallarını uzatarak sürünen bir ağaç gibi, aynı anda diğerlerini geri çekerken ilginç bir şekilde hareket ettiğini belirtti.
Sınıf bittikten çok sonra, Cira, şimdi Arizona Üniversitesi’nde Riedel-Kruse ile birlikte ve bir grup işbirliği organizmanın meraklı hareketiyle oynamaya devam etti. Birlikte nasıl işlediğini anlamak için organizmanın bir oyuncak modeli oluşturdular ve onu tanımlamak için bir terim yarattılar: seyahat eden bir ağ.
Birçok ağ türü, nöral ve sosyal ağlardan fotonik nanoyapılara kadar ayrıntılı olarak incelenmiş ve açıklanmış olsa da, Cira, yapılarını yeniden düzenleyerek uzayda hareket eden sistemler üzerinde çalışma eksikliği bulmaktan şaşırmıştır.
Ana çalışma alanı mikroakışkanları olan Cira, modelin her yönünü ve özelliğini incelemenin “bir tür uzun süredir devam eden tutku projesi haline geleceğini, yanda zıpladığım, sadece taze ve ilginç içgörüleri ve keşfedilecek şeyleri ortaya çıkaracağını” söyledi. “Bu neredeyse bir şekilde çalışmaktan çok bir hobi. Ama sonunda oldukça güzel bir şeye dönüştü.”
Model aslında kenar ve düğümlerin bir grafiğidir. Herhangi bir düğüm en fazla üç kenara sahip olabilir, bu da ona ağaç benzeri bir şekil verir. Yapı birkaç basit eylemle hareket etmek için manipüle edilebilir: yaprak, yani bir dalın ucu büyüyebilir; İki yeni kenar oluşturmak için ayrılabilir; Veya kaybolana kadar geri çekilebilir.
“Aslında çok basit bir model,” dedi Cira. Diyerek şöyle devam etti: “Bu sadece birkaç temel eylem içeriyor ve bu dinamik yeniden düzenlemeler nedeniyle organizmanın yaptığı gibi yeni bir alana seyahat ediyor.”
Hareketli Model, yılın ilkel ekran koruyucularına benziyor, ancak hareket ederken kendini sürekli olarak yeniden düzenleyen bir yapıyı açıklamak için basit bir şey yok. Cira, işbirlikçilerinin konunun kapsamlı bir muamelesi için sabrını – kabaca on yıl boyunca uzanan çalışma.
Seyahat ağının davranışını karakterize etmek için ekip, simülasyon yoluyla matematiksel ilişkiler ve görselleştirilmiş ağ davranışlarını elde etti. Ağın, büyüme ve bozulma arasında duran noktaya kadar kendi kendini organize etme yeteneği, araştırmacıların modelin Pac-Man gibi gitmesi için dijital yulaf ezmesi getirerek gösterdikleri çevresindeki küçük değişikliklere yanıt vermesini sağladı.
“Matematiksel olarak, neden bir ağacın fraktal benzeri görünümüne sahip olabildiğimiz kadar türetmeye çalıştık? Hareketin özellikleri hakkında ne kadar söyleyebiliriz? Ve bu böyle sistemler için ne anlama geliyor?” işteki mekanizmaları netleştirmek için polimerler ve depremlerin incelenmesi gibi bir dizi fizik disiplininden ilham alan CIRA, dedi.
Seyahat ağları kriterlerine uyan sistemler arasında, araştırmacılar çok farklı adaylar belirlediler: aktin hücre iskeleti-sökülen ve yeniden birleştiren monomerik protein birimleri ağı, hücrelerin hareketini ve daha kavramsal düzeyde Nokia Corporation’ı yönlendiren dal benzeri bir yapı oluşturdu.
Cira, “İnsanlar genellikle yeni pazarlara dallanan veya bir ürün serisini kesen şirketler hakkında konuşuyorlar.” Dedi. “Nokia kağıtta başladı ve kauçuk pazarlara dallandı ve daha sonra kauçuk ile kaplanmış elektrik kabloları yaptı. Bu onları özellikle farklı türde, telefona sahip elektroniklere dönüştürdü ve daha sonra iPhone çıktı ve bu sektördeki işlerini tamamen ortadan kaldırdı.”
Bir noktada araştırmacılar, kavramın sanata da uygulanıp uygulanamayacağını merak ettiler. Picasso’nun gelişimini veya David Bowie’nin kronik yeniden icatını açıklayan bilimsel bir teoriye sahip olma ihtimali kesinlikle cazip olsa da, Cira bu tür ilerlemenin ölçülmesinin giderek zorlaştığını buldu. Ancak, parlayan popülasyonlar arasındaki gen akışı veya sürükleyici robotlar arasında iletişim gibi daha az etkisiz sistemlerle, seyahat-ağ modeli bilim adamları için yararlı bir çerçeve ve daha karmaşık modelleme için bir sıçrama tahtası olabilir.
Cira, “Bu, çok fazla zaman harcadığımız matematiği kullanacakları anlamına gelir, görülmeye devam ediyor.” Dedi. Diyerek şöyle devam etti: “Ve bu özel modelin herhangi bir sistem için doğrudan uygulanıp uygulanmadığı tespit edilmeye devam ediyor, ancak işimiz herhangi bir gösterge ise, uzayda seyahat eden bağlı dinamik sistemlerin incelenmesi zengin içgörülerle dolu olmayı vaat ediyor.”
Ortak yazarlar arasında Stanford, Harvard Üniversitesi, New South Galler Üniversitesi ve California Üniversitesi, Berkeley arasında araştırmacılar bulunmaktadır.
