У слова «робот» широкий спектр значений: от автоматических линий на заводе и детских поделок из лего до персональных помощников в вашем телефоне и секс-роботов. Где-то посередине обитают забавные и немного нелепые роботизированные муляжи, которые собирают этологи для того, чтобы подселять их к животным и следить за их поведением. Мы уже писали про самые яркие примеры таких исследований вроде роботов-пчел, показывающих радиоуправляемым танцем путь до еды своим живым соплеменникам, а теперь появилась новая работа: ученые из Италии и ОАЭ создали робота-цесарку, чтобы пугать им саранчу Locusta migratoria в ходе экспериментов.
Выглядит робот незатейливо: это просто пластиковый муляж головы птицы, распечатанный на 3D-принтере, а потом раскрашенный вручную и закрепленный на роботизированной шее, управляемой двигателем с помощью микроконтроллера. При этом сам двигатель спрятан в приземистый цилиндр, имитирующий тушку цесарки и предусмотрительно обернутый черной бумагой в белую крапинку, дабы «улучшить сходство с оперением цесарки».
Всего у исследователей было 90 особей саранчи: 30 взрослых, 30 в четвертой личиночной стадии и 30 во второй личиночной стадии (саранча в личиночных стадия и внешне, и по поведению похожа на взрослых особей, но заметно меньше). В первом эксперименте ученые смотрели, в какую сторону отпрыгнут насекомые, когда к ним резко наклонится искусственная цесарка (всего 30 повторений на каждую особь).
Оказалось, что в целом по популяции у саранчи нет излюбленного направления: они одинаково часто ретировались как влево, так и вправо, но у многих отдельных особей любимое направление все-таки было. Особенно заметна эта тенденция была для взрослых особей, как будто каждое насекомое с возрастом вырабатывает свой индивидуальный стиль (и не беда, что их всего только два типа — «левый» и «правый»), чтобы запутывать хищников.
Во втором же эксперименте голова робота не наклонялась к саранче, а маячила где-то неподалеку, в то время как насекомые были предоставлены сами себе и могли устроиться так, чтобы им было максимально удобно следить за хищником. Здесь исследователи фиксировали, как долго и как часто саранча будет сидеть, наблюдая за цесаркой только левым или только правым глазом.
В этих данных асимметрию уже увидели в целом по популяции: саранча предпочла сидеть таким образом, чтобы пугало цесарки было видно правым глазом. Плюс еще одна деталь: смотрящие только правым глазом насекомые меньше прыгают и ползают до тех пор, пока не найдут идеальную наблюдательную точку, то есть меньше выдают себя хищнику. Так что общепопуляционное предпочтение правого глаза, по-видимому, не случайно. А если учитывать, что подобное свойственно и другим насекомым, то вполне можно вслед за авторами предположить, что «асимметрия» вполне может быть связана с какой-то физиологической адаптацией к роевому поведению.
Про диабет много рассказывать не нужно. Сотни миллионов больных по всему миру, большинство из которых до сих пор поддерживают нормальный уровень глюкозы в крови с помощью регулярных инъекций инсулина (и держат конфетки в кармане на случай, если перестараются с дозировкой). В идеале этой работой должны заниматься бета-клетки поджелудочной железы, которые выделяют инсулин в ответ на повышение глюкозы. Однако у больных диабетом работа бета-клеток подавлена, а делать инъекции чужих клеток им очень неудобно: во-первых, те могут спровоцировать иммунный ответ организма, а во-вторых, быстро выходят из строя. Поэтому американские ученые синтезировали искусственные бета-клетки поджелудочной железы.
Сделаны новые клетки по принципу матрешки: внутри внешней фосфолипидной оболочки (она имитирует клеточную мембрану) плавают всякие вспомогательные молекулы и везикулы поменьше, со спрятанным внутрь инсулином. Повышение концентрации глюкозы во внешней среде запускает в такой системе каскад биохимических реакций: глюкоза через белковые каналы во внешней оболочке попадает внутрь искусственных клеток, там окисляется ферментом глюкозооксидазой, что приводит к выделению протонов. Из-за этого снижается кислотность и запускается перестройка pH-чувствительных белков, встроенных в оболочку внутренних везикул. Те же, в свою очередь, мигрируют в сторону внешней оболочки и сливаются с ней, выбрасывая молекулы инсулина наружу. С понижением уровня глюкозы вся эта процедура разворачивается в обратном порядке, и в такой «биомиметической манере» искусственные клетки регулируют уровень глюкозы
Теперь более простые слова: ученые провели испытания in vitro. Они вводили культуру искусственных клеток под кожу мышам с диабетом первого типа, и уже через час уровень глюкозы в их крови падал с повышенного до нормального. При этом способность к авторегуляции уровня инсулина сохранялась в течение следующих пяти суток (после повторных введений глюкозы снова выделялся инсулин), а сами искусственные клетки не вызывали никакого побочного иммунного ответа и полностью разлагались через четыре недели после инъекций.
Британские ученые из Университета Глазго подошли к созданию искусственных клеток проще. Они брали смесь из четырех неполярных соединений (различных масел, не смешивающихся с водой) и добавляли их в воду — в результате на поверхности появлялись такие капельки-жиринки, или «протоклетки», как их громко называют в статье. В ходе исследования ученые меняли составы «протоклеток» из масла и показали, что они могут эволюционировать и «приспосабливаться» к условиям внешней среды.
Теперь чуть подробнее. Британцы использовали четыре разных соединения, которые немного отличались по своим физико-химическим характеристикам. Перед каждым экспериментом их смешивали в определенных пропорциях (в своем тексте каждую такую смесь они называют «генотипом») и впрыскивали в резервуар, заполненный водой, где получались жирные капельки, хаотично бегавшие по поверхности. Эти танцы фиксировались видеокамерой, и дальше из них вытаскивалась только одна цифра — количество активно двигающихся капелек (они же «жиринки», они же «протоклетки») через одну минуту после впрыскивания, которое в исследовании приравнивалось к «фенотипу».
В первой серии экспериментов исследователи смотрели, как будет меняться «фенотип» протоклеток, если их «генотипы» эволюционируют по некоторым простейшим правилам. Что это означает на практике? В начале исследователи случайно выбирали 20 разных составов, смешивали каждый из них (по пять раз для набора статистики), впрыскивали, а потом смотрели, сколько будет активных клеток в каждом из испытаний. Это было первое поколение протоклеток.
Дальше, во втором поколении, делалось еще 20 разных составов. 10 из них просто дублировали некоторые «родительские» составы из первого поколения (при этом у родительского генотипа было тем больше шансов переродиться без изменений во втором поколении, чем более «успешный» фенотип он показал), а 10 собирались из них путем мутаций: один родительский генотип брал у второго родительского генотипа ровно один ген (то есть изменялась доля одного из масел). Дальше для этих составов заново оценивались фенотипы, и так повторялось 10 раз, после чего количество активных клеток в экспериментах увеличивалось примерно в два раза. Так под действием «эволюционных» правил отбирался наиболее «приспособленный» (в рамках выбранных правил) состав.
Во второй серии экспериментов ученые резко меняли среду обитания протоклеток — на гладкой поверхности появлялись выросты в виде колонн. После такой перестройки внешней среды активных клеток поначалу стало гораздо меньше, но потом, под действием отбора, описанного выше, за 10 поколений снова был найден оптимальный состав. После этого исследователи поменяли среду еще раз — вместо колонн появились пещеры, и снова история повторилась — кризис, эволюция и выход на оптимальный состав.
Дополнительные эксперименты и анализ данных обнаружили еще много красивых биологических аналогий. Например, популяции из колонн/пещер плохо выживали в только пещерах/колоннах и вполне терпимо себя чувствовали на равнине, а равнинные протоклетки ни к пещерам, ни к колоннам были не приспособлены (у каждой популяции своя экологическая ниша, и у равнинных она самая широкая и неспецифическая — выжить в ней может почти любая популяция). Или другой пример: после введения пещер постепенно образовалось не одна, а сразу две устойчивые субпопуляции (можно назвать это образованием подвидов или, например, народов).
Зачем все это надо? Во-первых, это еще один аргумент за эволюцию, встроенную в нашу жизнь просто на уровне физических процессов (кстати, жизнь, по многим представлениям, возникла именно на границе раздела полярных и неполярных фаз). А во-вторых, демонстрация возможностей эволюционных алгоритмов в material science: ведь оптимизацию составов можно применять далеко не только для того, чтобы капельки жира активней бегали по воде.
И, наконец, классическая бионическая история: дизайн, подсмотренный у природы. В этот раз ученые присмотрелись к крыльям бабочки, скопировали один трюк оттуда и увеличили эффективность солнечных батарей почти в два раза.
Дело в том, что в работе с кремниевыми фотоэлементами есть классическая дилемма: либо ты делаешь их толстыми и достаточно дорогими, либо тонкими, но неэффективными. Оказывается, что с чем-то похожим столкнулась и природа, когда создавала крылья бабочки-парусника Pachliopta aristolochiae. Эти насекомые, обитающие в Юго-Восточной Азии, должны поддерживать необходимую температуру своего тела с помощью сверхэффективного поглощения тепла, иначе их температура упадет так низко, что это замедлит какие-нибудь важные биохимические процессы внутри их тел. А ресурсов, чтобы носить на себе какие-то массивные решения, у бабочек, конечно, нет.
Для этого они получили от природы крылья, чешуйки которых покрыты хаотически расположенными колодцами, в которых падающий свет рассеивается так интенсивно, что эффективность получения тепла возрастает почти до максимально возможной (не забываем, что инфракрасное излучение или тепло — это тоже свет, но только в другом диапазоне длин волн).
Исследователи с помощью метода сканирующей электронной микроскопии изучили характер расположения этих колодцев, а также их характерные размеры и воссоздали похожую структуру на поверхности кремниевых солнечных элементов. В результате эффективность новых фотоэлементов резко возросла. Они почти в два раза лучше ловили лучи, падающие под маленькими углами, и в три раза — лучи, приходящие под большими углами. При этом эффективней всего работала именно хаотическая структура, подсмотренная у природы. А скучный регулярный порядок углублений, тоже опробованный в исследовании, давал менее впечатляющий прирост эффективности.
Михаил Петров