bacterie

In deze computersimulatie zoekt een zwerm bacteriën zijn weg door een oerwoud van obstakels.

Slimme zwermen bacteriën inspireren robotbouwers

Bijster slim is een enkele bacterie niet, maar een kolonie bacteriën gedraagt zich toch behoorlijk geavanceerd. Onderzoekers hebben nu een nieuw model ontwikkeld, dat ook toegepast kan worden in zwermen robots.

In deze computersimulatie zoekt een zwerm bacteriën zijn weg door een oerwoud van obstakels.
In deze computersimulatie zoekt een zwerm bacteriën zijn weg door een oerwoud van obstakels

Intelligente zwerm
De onderzoekers van de Tel Aviv Universiteit in Israël hebben een rekenmodel ontwikkeld dat beter uitlegt hoe bacteriën bewegen in een zwerm en kan ook worden toegepast in computers, kunstmatige intelligenties en robots[1]. De principes die bacteriën gebruiken om te bewegen in een zwerm, kunnen ook heel goed gebruikt worden om computers, kunstmatige intelligentie en robots zwermgedrag te laten vertonen. Toepassingen die de onderzoekers noemen zijn het ontwikkelen van medische nanorobots die medicijnen in het lichaam afleveren of informatie op internet verzamelen over consumenten.

Waarom overleven domme bacteriën in een ingewikkelde omgeving?
Al zijn bacteriën klein en eenvoudig, ze hebben superieure overlevingsvaardigheden. De manier waarop ze beslissingen nemen en hun collectieve gedrag laat ze gedijen en zelfs verspreiden in zware leefomstandigheden. Als extreem simpele organismen zijn bacteriën uiteraard niet in staat tot hoogstaande informatieverwerkende processen. In een ingewikkelde omgeving, zoals binnen mensen of dieren, zouden bacteriën dus in de war raken. Althans, werd aangenomen.

‘Zelfvertrouwen’ redt bacteriën
Deze aanname blijkt fout. In een verrassende ontdekking stelden de onderzoekers vast dat bacteriën in feite superieure overlevingsvaardigheden hebben. Ze vinden veel eerder voedsel en ontwijken gevaar veel sneller dan complexere samenwerkende organismen zoals amoebes of vissen. Hun geheim: veel ‘zelfvertrouwen’.

Veel zwermen van ingewikkelder organismen worden vaak geplaagd door foutieve positieve feedback, iets dat veel voorkomt in complex terrein. Dit gebeurt als een subgroep van de zwerm op basis van verkeerde informatie de hele groep de verkeerde kant op stuurt. Bacteriën maken deze fout niet omdat ze via moleculaire, chemische of mechanische wijze communiceren.

Alleen ‘raad vragen’ als het mis gaat
Afhankelijk van hoeveel ‘zelfvertrouwen’ ze hebben kunnen bacteriën hun wisselwerking met hun medebacteriën aanpassen. Als een individuele bacterie een nuttig pad vindt, besteedt deze minder aandacht aan de signalen van anderen. Komt de cel een minder gunstig pad tegen, dan zal deze ‘raad vragen’ aan andere cellen. Elke cel volgt dezelfde strategie, waardoor de groep als geheel met vallen en opstaan een weg vindt in extreem complex terrein. Precies dit gedrag, dat maar weinig capaciteit en korte termijn geheugen vereist, werd verwerkt in het model van de onderzoekers. Dit principe kan ook leiden tot nieuwe, efficiëntere technologie.

Robots lenen bacterie-strategie
Ook robots moeten vaak in complexe omgevingen navigeren, zoals zo ongeveer elke denkbare omgeving buiten een lab. Ook moeten ze onderling communiceren. Op dit moment wordt dat moeizaam berekend wat uiteraard zeer veel rekenhulpbronnen van computers eist. De geheimen van zwermen bacteriën ontraadselen, kan ons helpen een nieuwe generatie robots te ontwikkelen die zich zonder al te veel ingebouwde slimheid kunnen bewegen in een omgeving en zich aanpassen aan wisselende omstandigheden, aldus de onderzoekers[2].

Bronnen
1. Adi Shklarsh et al., Smart Swarms of Bacteria-Inspired Agents with Performance Adaptable Interactions, PLoS Computational Biology, 2011 (gratis toegankelijk)
2. Smart Swarms of Bacteria Inspire Robotics Researchers, AFTAU, 2011

Slimme zwermen bacteriën inspireren robotbouwers Meer lezen »

Bacteriën zijn in staat tot verbluffend ingewikkelde samenwerkingsverbanden.

Denkende bacteriekolonies

Kunnen bacteriekolonies denken? Op het eerste gezicht en absurde vraag: bacteriën zijn immers de kleinst denkbare levende wezens, chemische fabriekjes die in staat zijn zichzelf te vermenigvuldigen. Maar dat is niet het hele verhaal. Bacteriën blijken er namelijk ingewikkelde communicatienetwerken op na te houden  en ook DNA blijkt onovertroffen rekencapaciteiten te hebben. Wat gaat er allemaal om in de eencellige wereld?

Het menselijk brein
Om te denken moet een ingewikkelde vorm van informatieverwerking plaatsvinden. Het fysische systeem hierachter kan allerlei vormen hebben en uit allerlei materialen bestaan, maar vermoedelijk zal het de vorm van een zogeheten neuraal netwerk moeten hebben. Neurale netwerken hebben emergent gedrag zoals het vermogen om te leren. Een vorm van memristor, een enkele jaren geleden ontwikkelde elektronische component die ‘onthoudt’ dat er stroom door heeft gelopen door een lagere weerstand te krijgen, zal er onderdeel van uit moeten maken. Menselijke zenuwcellen communiceren door middel van dendrieten (die als inputkanaal dienen) en een axon (dat als uitvoerkanaal dient).  Om het nog ingewikkelder te maken: er zijn ook dendrieten die een signaal in een axon dat de dendriet kruist kunnen remmen.

Samenwerkende bacteriën vertonen slim gedrag

Bacterie-internet: twee totaal verschillende soorten wisselen elektronen uit via nanodraden
Bacterie-internet: twee totaal verschillende soorten wisselen elektronen uit via nanodraden

Bacteriën hebben al laten zien, in staat te zijn tot behoorlijk ver ontwikkelde samenwerkingsverbanden. In feite zijn planten en dieren alle het resultaat van de samenwerking tussen twee bacteriën: zowel bladgroenkorrels als mitochondriën waren ooit zelfstandig levende bacteriën, die op een gegeven moment in een archaea-achtige cel (archaeae zijn bacterie-achtige organismen) zijn gaan leven. Bacteriën vormen vaak ingewikkelde biofilms, microbiële matten, waarin vier, vijf of meer verschillend soorten bacteriën van elkaars afvalproducten leven en zo elkaars bestaan mogelijk maken. Bepaalde soorten zijn zelfs in staat de vorm van hun kolonie aan te passen of hun celdeling op elkaar af te stemmen, al naar gelang de behoefte (2). Technisch gesproken kunnen bacteriën een primitief neuraal netwerk vormen, al ontbreken bepaalde componenten (ibid).

Elektrische communicatie tussen bacteriën
In 2010 werd een opmerkelijke ontdekking gedaan: sommige bacteriesoorten vormen een soort stroomdraden waarmee ze andere bacteriën voorzien van elektronen. Een absolute must om bijvoorbeeld efficiënt bepaalde stoffen af te kunnen breken. Volgens sommige onderzoekers kunnen ze zelfs signalen uitwisselen. Dit bracht onderzoekers er toe om ook meer buitenissige theorieën te bedenken. Zo hebben twee biofysici aangetoond dat het in theorie mogelijk is dat plasmiden, ringen DNA, onderling radiogolven uitwisselen. Een visionair, maar extreem controversieel idee dat door Nobelprijswinnaar Luc Montagnier is geventileerd.

Bacteriën en fagen als DNA-computers

Bacteriën zijn in staat tot verbluffend ingewikkelde samenwerkingsverbanden.
Bacteriën zijn in staat tot verbluffend ingewikkelde samenwerkingsverbanden.

Vergeleken met de volgende ideeën is zelfs de speculatie van Montagnier nog braaf. Stel dat bacteriën een veel groter netwerk kunnen vormen dan wij kunnen vermoeden? En dat bacteriële conjugatie: het uitwisselen van DNA tussen bacteriën of besmetting met fagen, bacterievirussen, hierbij een rol speelt om informatie uit te wisselen?

Ook DNA vormt namelijk een krachtige computer met een werkelijk verbijsterende informatieverwerkingscapaciteit. Je krijgt dan een soort gedistribueerd bacterienetwerk.

Aan de ene kant: bacteriën beschikken maar over weinig DNA en kennen niet zoals de mens en andere organismen met celkernen grote stukken “junk-DNA” dat een uitstekende kandidaat zou zijn. De kans dat bacteriën dergelijke activiteiten kunnen ontplooien is dus uiterst klein. Aan de andere kant: gedurende miljarden jaren was er op aarde alleen bacterieel leven.

Dat is tijd genoeg om behoorlijk ingewikkelde samenwerkingsverbanden te ontwikkelen. De kans is weliswaar  ongeveer nihil dat we een bacterie-intelligentie zullen tegenkomen die je verslaat met schaken, maar dat we nog heel wat nieuwe, verbluffende staaltjes van ingewikkelde bacteriële samenwerking en intelligent gedrag zullen tegenkomen is wel zeker…

Bronnen
1. Y.A. Gorby et al., Electrically conductive bacterial nanowires produced by Shewanella oneidensis strain MR-1 and other microorganisms, PNAS
2. Intelligent bacteria? – World Science

Denkende bacteriekolonies Meer lezen »