Bakterien könnten lernen, die Zukunft vorherzusagen

Neue Forschungsergebnisse legen nahe, dass Bakterien aus der Vergangenheit lernen könnten, um die Zukunft vorherzusagen

09.09.2021 - USA

Mithilfe von Computersimulationen und einem einfachen theoretischen Modell haben Mikhail Tikhonov und Koautoren in der Zeitschrift eLife eine Arbeit veröffentlicht, die zeigt, wie sich Bakterien an eine fluktuierende Umgebung anpassen können, indem sie deren statistische Regelmäßigkeiten erlernen - zum Beispiel, welche Nährstoffe tendenziell korreliert sind - und zwar schneller, als es die Evolution durch Versuch und Irrtum normalerweise erlauben würde.

"Evolutionäres 'Lernen' ist alltäglich. Viele Organismen haben beispielsweise eine zirkadiane Uhr entwickelt, um dem 24-Stunden-Zyklus von Tag und Nacht zu folgen", so Tikhonov, Assistenzprofessor für Physik in Arts & Sciences. "Aber die Evolution vollzieht sich über viele Generationen. Wir zeigen, dass Bakterien im Prinzip das tun könnten, was wir tun: Sie lernen Zusammenhänge aus ihren jüngsten Erfahrungen und passen ihr zukünftiges Verhalten entsprechend an, sogar innerhalb ihres Lebens.

"Bakterien haben keine Gehirne, aber wir haben herausgefunden, dass diese Art der Informationsverarbeitung mit einem Schaltkreis erreicht werden kann, der nicht nur einfach ist, sondern auch den Schaltkreisen ähnelt, die bei Bakterien bereits bekannt sind", sagte er.

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Allerdings müssen drei Voraussetzungen erfüllt sein. Die Forscher stellen fest, dass diese Art des Lernens nur möglich ist, wenn die Bakterien mehr Regulatoren haben, als notwendig zu sein scheinen, wenn die Regulatoren selbst aktiviert werden und wenn die Bakterien unter realen "nichtlinearen" Bedingungen arbeiten, die in Modellen häufig weggenähert werden.

Indem er die Biologie aus der Perspektive eines Physikers betrachtet, hofft Tichonow, mehr Licht auf die Art und Weise zu werfen, in der traditionelle biologische Theorien die Fragen, die Forscher stellen, einschränken.

Die jüngste Arbeit liefert neue Hypothesen darüber, warum manche Bakterien scheinbar redundante Regulatoren oder Wege zur Modulation ihrer verschiedenen Wege nutzen.

"Die 'verschwenderische' Redundanz und die unnötigen Regulatoren, die wir in vielen Laborexperimenten sehen, können rätselhaft sein", sagte Tichonow. "Aber Wissenschaftler studieren Organismen in der Regel unter vereinfachten Bedingungen oder in statischen Umgebungen. Die von uns beschriebenen Vorteile würden sich nur unter realistischeren, fluktuierenden Bedingungen zeigen.

"Wir hoffen, dass Experimentalphysiker unsere Arbeit lesen und die von uns beschriebenen Schlüsselbestandteile in dem System erkennen, das sie untersuchen.

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Originalveröffentlichung

Landmann S, Holmes CM, Tikhonov M.; "A simple regulatory architecture allows learning the statistical structure of a changing environment"; eLife; Sept. 7, 2021.

https://www.bionity.com/de/news/1172640/bakterien-koennten-lernen-die-zukunft-vorherzusagen.html

Originalveröffentlichung

Landmann S, Holmes CM, Tikhonov M.; "A simple regulatory architecture allows learning the statistical structure of a changing environment"; eLife; Sept. 7, 2021.

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