اولین ربات‌های زنده خودتکثیرشونده جهان ساخته شدند

زنوبات‌های عجیب‌و‌غریب جدید، در نگاه اول ممکن است به‌دلیل شباهت ظاهریشان به Pac-Man، جالب‌توجه به‌نظر برسند، اما شباهت آن‌ها به این شخصیت بازی ویدئویی احتمالا کمترین موضوع عجیب درمورد آن‌ها است. این موجودات رباتیک غیرمعمول شاخه‌ای از چیزی هستند که پژوهشگران مطالعه‌ی جدید، سال گذشته آن را به نمایش گذاشتند: ربات‌هایی که برای اولین‌بار در جهان به‌طور کامل با استفاده از سلول‌های زنده ساخته شده بودند. جاشوا بونگارد، دانشمند کامپیوتر و رباتیک از دانشگاه ورمانت در آن زمان توضیح داد: «این‌ها ماشین‌های زنده جدید هستند».

اکنون بونگارد و همکارانش وارد مرحله‌ی بعدی شده‌اند و به زنوبات‌ها توانایی خودتکثیرشوندگی و ایجاد نسخه‌های جدیدی از خودشان را داده‌اند. در این مورد، خودتکثیرشوندگی با آن نوع تکنیک‌های تولیدمثلی که معمولا در موجودات زنده عادی می‌بینیم، به دست نمی‌آید.

پژوهشگران دریافتند که اگر تعداد کافی از زنوبات‌ها را در مجاورت همدیگر در ظرف آزمایشگاه قرار دهند، حرکت دسته‌جمعی آن‌ها سلول‌های آزاد قورباغه را که در محلول شناور هستند، در کنار هم قرار می‌دهد.

هنگامی که تعداد کافی از آن سلول‌ها درکنار هم جمع شدند، توده‌ای از حدود ۵۰ سلول، به‌نوعی به فرزند زنوبات تبدیل می‌شوند که می‌توانند به‌طور مسقل شنا کنند و با انجام این کار فرزندان خود را ایجاد کنند.

پدیده فوق که خودتکثیرشوندگی خودبه‌خودی جنبشی یا سینماتیک نامیده می‌شود، قبلا در انواع دیگر مدل‌ها و ماشین‌های مولکولی دیده شده بود، اما تاکنون در سیستم‌های زنده چندسلولی مانند زنوبات‌ها مشاهده نشده بود.
پژوهشگران در مقاله جدید که در آن این موجودات دارای قابلیت پیکربندی مجدد را توضیح می‌دهند، می‌گویند: «متوجه شدیم که مجموعه‌های چند سلولی جنبشی همچنین می‌توانند با حرکت و فشردن سلول‌های آزاد موجود در محیط خود نسخه‌های عملکردی از خود را ایجاد کنند. این شکل از جاودانگی که قبلا در هیچ ارگانیسمی دیده نشده بود، به‌طور خود‌به‌خود در طی چند روز حاصل می‌شود؛ نه اینکه در طول هزاران سال تکامل پیدا کند.»

                                         شبیه‌سازی (سمت چپ) سیستم خودتکثیرشونده واقعی (سمت راست) را در شرایط آزمایشگاهی پیش‌بینی می‌کند

پژوهشگران برای ساخت ربات‌های خودتکثیر شونده، سلول‌های بنیادی پرتوان پوست جنین قورباغه پنجه‌دار آفریقایی (Xenopus laevis) را جدا کردند و آن‌ها را در محلول نمکی قرار دادند. در جریان این فرایند، تعدادی از سلول‌ها به شکل موجودی کروی به هم چسبیدند و مژک‌هایی روی سطح خارجی آن تشکیل شد که به آن امکان حرکت می‌داد.

هنگامی که دوازده ارگانیسم نسل اول همراه با سلول‌های بنیادی آزاد به ظرف دیگری منتقل شدند، حرکت این ارگانیسم‌ها سلول‌های بنیادی آزاد را به شکل توده‌هایی در کنار هم جمع کرد که نسل جدیدی از ارگانیسم‌ها را تشکیل دادند که آن‌ها نیز همین رفتار را تکرار می‌کردند. اگرچه، وقتی همان سلول‌های بنیادی به تنهایی در محلول رها شدند، درکنار هم جمع نشدند. این امر نشان می‌دهد برای ایجاد نسل بعد، به حرکت اولیه زنوبات‌های اجدادی نیاز است.

پژوهشگران در مقاله خود توضیح دادند که این رفتار خودتکثیرشوندگی جنبشی که رفتاری است که قبلا در گیاهان یا حیوانات مشاهده نشده است، بدون اصلاح ژنتیکی به دست می‌آید. این موضوع نشان می‌دهد چگونه موجویت‌های زیستی می‌توانند در پاسخ به محیط خود سازگار شده و تغییر پیدا کنند.

                                                      تصویر رنگی از زنوبات (قرمز) و سلول‌های بنیادی آزادی که در کنار هم جمع شده‌اند (سبز)

پژوهشگران با استفاده از هوش مصنوعی  برای شبیه‌سازی شرایطی که ممکن است رفتارهای خودتکثیرشوندگی را افزایش می‌دهد، متوجه شدند که می‌توانند این پدیده را تقویت کنند. آن‌ها توضیح می‌دهند: «شبیه‌سازی‌ها نشان داد که برخی شکل‌ها، اندازه توده و دورهای تکثیر را تقویت می‌کرد، درحالی‌که برخی دیگر آن را کاهش می‌داد یا مانع از خودتکثیرشوندگی می‌شد. برخی اشکال هندسی اما نه همه‌ی آن‌ها، بهتر از اشکال کروی بودند.»
در نهایت، این اشکال چنبره‌مانند (اساسا پک‌من به شکل سه‌بعدی) بهترین کاندیدا برای تجمع سلول‌های آزاد قورباغه به شکل ارگانیسم‌های جدید بود و ایجاد تغییراتی در محیط (دیواره‌هایی که حرکت زنوبات‌ها را محدود می‌کرد) نیز به این فرایند کمک کرد.

درحالی‌که هنوز در ابتدای راه کار با ربات‌های زنده هستیم، پژوهشگران می‌گویند اگر بتوانیم نحوه عملکرد آن‌ها را کشف کنیم و همچین وظیفه مناسبی برای آن‌ها پیدا کنیم، موجودات غیرعادی روزی می‌توانند کارهای مفیدی انجام دهند. پژوهشگران توضیح می‌دهند: «این موجودیت‌ها ممکن است به بهبود فناوری‌های آینده کمک کنند و نیاز به هدایت از بیرون را کاهش دهند. زندگی رفتارهای شگفت‌آوری را فراتر از آن‌چه می‌بینیم، در خود جای داده است که در انتظار کشف شدن است.»

یافته‌های این مطالعه در مجله‌ی PNAS گزارش شده است.