Несмотря на то, что они одноклеточные организмы, такие бактерии, как E. Coli может проявлять впечатляющие способности восприятия и адаптации в постоянно меняющихся условиях окружающей среды. Например, эти бактерии могут ощущать присутствие химического градиента, указывающего направление пищи, и двигаться к ней. Этот процесс называется хемотаксисом, и было показано, что он чрезвычайно эффективен как из-за его высокой чувствительности к незначительным изменениям концентрации, так и из-за его способности адаптироваться к фоновым уровням. Однако вопрос о том, является ли это наилучшей возможной сенсорной системой, которая может существовать в шумной среде, или неоптимальным эволюционным компромиссом, не был определен.
Теперь исследователи из Токийского университета показали, что стандартная модель, которую биологи используют для описания бактериального хемотаксиса, на самом деле математически эквивалентна оптимальной динамике. В этой структуре рецепторы на поверхности бактерии могут модулироваться присутствием целевых молекул, но на эту сигнальную сеть может влиять случайный шум. Как только бактерии определяют, плывут ли они к пище или от нее, они могут соответствующим образом скорректировать свое плавательное поведение.
"E. coli может двигаться по прямой линии или случайным образом переориентировать с помощью кувырка.
Уменьшая частоту кувырков при обнаружении положительного градиента концентрации аттрактанта, бактерия может преимущественно двигаться к пище », – говорит первый автор Кенто Накамура.
Используя теорию нелинейной фильтрации, которая является разделом теории информации, который занимается обновлением информации на основе потока информации в реальном времени, ученые показали, что система, используемая бактериями, действительно оптимальна.
"Мы обнаружили, что наилучшая возможная система фильтрации шума совпадает с биохимической моделью E. coli », – объясняет старший автор Тецуя Дж. Кобаяши.
Результаты этого исследования также могут быть применены к сенсорным системам других организмов, таким как рецепторы, связанные с G-белком, используемые для зрения.
Поскольку все живые системы должны уметь ощущать окружающую среду и реагировать на нее, этот проект может помочь оценить эффективность фильтрации информации в более общем плане.