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Un organismo unicelular sin cerebro realiza cálculos matemáticos para desplazarse

Un organismo unicelular, sin cerebro ni sistema nervioso, utiliza cálculos matemáticos para desplazarse, imitando a los robots que caminan. Su movimiento es controlado por una máquina de estados finitos, similar a un ordenador cuántico o a la Máquina de Turing, organizada en microtúbulos celulares.

Investigadores norteamericanos han descubierto un extraño organismo unicelular que se mueve controlado por una especie de ordenador mecánico natural.

El organismo, llamado Euplotes patella, usa sus 14 pequeñas patas (cirros), controladas por estructuras celulares llamadas microtúbulos, para desplazarse sobre el fango o a través del agua.

Los microtúbulos son estructuras similares a un tubo hueco y estrecho que se encuentran en el citoplasma (el líquido dentro de una célula) de las células vegetales y animales.

Los autores de esta investigación, de la que es autor principal Ben T. Larson, de la Universidad de California en San Francisco, consideran que el ciliado Euplotes combina diferentes patrones de movimiento siguiendo un proceso computacional natural que es coordinado por un sistema de fibras de microtúbulos.

Comportamiento sofisticado

Llama la atención este comportamiento tan sofisticado porque animales con cerebro, como los ciempiés, suelen repetir un único patrón de movimientos de las patas una y otra vez.

Sin embargo, las patas de este protozoo ciliado se mueven siguiendo diferentes patrones, a pesar de que carece de cerebro y de un sistema nervioso que coordine los movimientos de tantas patas.

Para conseguir este comportamiento singular, sus microtúbulos, fibras constituyentes de su citoesqueleto, forman una red que actúa como una especie de ordenador mecánico simple.

Según los investigadores, que publican sus resultados en bioRxiv, en el movimiento de sus patas no hay una secuencia, sino mucha variabilidad de patrones, a pesar de lo cual el movimiento de las patas no es aleatorio.

Los investigadores consideran que este comportamiento podría ser una adaptación evolutiva para caminar sobre superficies rugosas que no puede detectar antes de iniciar el movimiento.

También los robots

Lo más sorprendente de este hallazgo es que los robots que caminan usan también esa variabilidad de patrones de movimiento para evitar que sus máquinas se atasquen por la orografía, lo que obliga a estas máquinas a realizar cálculos matemáticos para moverse sin problemas.

En el caso del protozoo, se trataría de un mecanismo similar desarrollado por la naturaleza: los microtúbulos de Euplotes patella podrían realizar cálculos parecidos a los de los robots para desplazarse en su entorno en busca de las bacterias que le sirven de alimento.

«Nuestros datos muestran que se necesitan microtúbulos para que se produzca el cálculo. La explicación más simple es que estos son los elementos de cálculo”, explica uno de los investigadores, Wallace F. Marshall, en la revista Trustmyscience.

Representación de estados funcionales y transiciones enfatizando la naturaleza mecánica del movimiento de los Euplots. Los estados de la marcha están representados por círculos con etiquetas digitales. © Ben T. Larson y col.

Máquina de estados finitos

Los resultados sugieren que la red de microtúbulos actúa como una especie de computadora mecánica simple, conocida también como «máquina de estados finitos».

Una máquina de estados finitos es un modelo computacional que realiza cómputos de forma automática sobre una entrada para producir una salida: en este caso, la entrada sería la información orográfica, y la salida el movimiento adecuado de las patas.

Los microtúbulos del protozoo serían los encargados de elaborar esos modelos de comportamiento de este sistema complejo: organizar coherentemente el movimiento de las 14 patas del protozoo.

Este sistema interno controla y coordina los movimientos de las patas hasta cierto nivel, ya que hay un tipo de información que se transmite.

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Modelo cuántico

Ese sistema interno que controla el movimiento sería la citada máquina de estados finitos, que puede asimilarse tanto a un ordenador cuántico (basado en procesos cuánticos) como a una Máquina de Turing, que manipula símbolos siguiendo unas reglas.

La idea se refuerza porque los microtúbulos están presentes en todas las células complejas, por lo que también podrían controlar el comportamiento de otras células.

Además, una teoría física, formulada por Stuart Hameroff y Roger Penrose en 2014, considera incluso que procesos cuánticos biológicamente orquestados se desarrollan en (y entre) los microtúbulos del citoesqueleto de las neuronas del cerebro para generar consciencia. Su potencial sería más que suficiente para realizar el cómputo de movimientos en el protozoo.

Comprobado

Los científicos pudieron comprobar la relación entre las patas del protozoo y los patrones de movimiento añadiendo un fármaco que interrumpe la formación de microtúbulos en el agua: entonces el protozoo se movía dando vueltas en círculos. No podía desplazarse adecuadamente.

Eso no es suficiente para demostrar que los microtúbulos se comportan como una máquina de estados finitos para organizar sus desplazamientos, pero la hipótesis está planteada con una sólida consistencia.

Un sistema de fibras, que originalmente se pensó que era un sistema nervioso rudimentario, emana de las bases de los cirros, y los métodos de microscopía modernos han demostrado que estas fibras son haces de microtúbulos, explica en Twitter Ben Larson.

Continúa el misterio

Y añade: descubrimos que, si bien los patrones de conectividad entre las fibras no predicen directamente la covariación en la actividad de los cirros, ciertos aspectos de las fibras predicen qué cirros están activos conjuntamente en diferentes estados. Esto sugiere una base mecánica de la coordinación de la marcha.

Los investigadores consideran por último que este descubrimiento podría explicar cómo algunos organismos unicelulares adoptan también comportamientos complejos, a pesar de carecer de un cerebro o sistema nervioso, lo que de momento continúa siendo un misterio.

Referencia

A unicellular walker controlled by a microtubule-based finite state machine. Ben T. Larson et al. bioRxiv, June 17, 2021. DOI:https://doi.org/10.1101/2021.02.26.433123

Foto superior: Euplotes patella. Picturepest.

Eduardo Martínez de la Fe

Eduardo Martínez de la Fe

Eduardo Martínez de la Fe, periodista científico, es el Editor de Tendencias21.

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