Jak se příroda sama organizuje, od mozkových buněk po ekosystémy

Podívejte se kolem sebe a všude to uvidíte: způsob, jakým stromy vytvářejí větve, jak se města dělí na čtvrti, jak se mozek organizuje do oblastí. Příroda miluje modularitu – omezený počet samostatných jednotek, které se různými způsoby kombinují a plní mnoho funkcí. Ale jak tato organizace vzniká? Řídí se podrobným genetickým plánem, nebo mohou tyto struktury vznikat samy?

Nová studie profesorky MIT Ily Fiete naznačuje překvapivou odpověď.

V výsledcích publikovaných 18. února v časopise Nature Fiete, vedoucí výzkumná pracovnice v McGovern Institute for Brain Research a ředitelka K. Lisa Yang Integrative Computational Neuroscience (ICoN) Center na MIT, uvádí, že matematický model zvaný výběr vrcholů může vysvětlit, jak moduly vznikají bez striktních genetických instrukcí. Zjištění jejího týmu, která se vztahují na mozkové systémy a ekosystémy, pomáhají vysvětlit, jak modularita vzniká v přírodě, bez ohledu na měřítko.

Spojení dvou velkých myšlenek

„Vědci diskutovali o tom, jak se modulární struktury formují. Jedna hypotéza naznačuje, že různé geny se zapínají na různých místech, aby začaly nebo ukončily strukturu. To vysvětluje, jak hmyzí embrya vyvíjejí tělní segmenty, s geny, které se zapínají nebo vypínají při specifických koncentracích hladkého chemického gradientu v hmyzím vajíčku,“ říká Fiete, která je hlavní autorkou článku. Mikail Khona PhD '25, bývalý postgraduální student a stipendista K. Lisa Yang ICoN Center, a postdoktorand Sarthak Chandra také vedli studii.

Další myšlenka, inspirovaná matematikem Alanem Turingem, naznačuje, že struktura by mohla vzniknout z konkurence – malé interakce mohou vytvářet opakující se vzory, jako jsou skvrny na gepardovi nebo vlny v písečných dunách.

Obě myšlenky fungují dobře v některých případech, ale v jiných selhávají. Nový výzkum naznačuje, že příroda nemusí vybírat jeden přístup před druhým. Autoři navrhují jednoduchý matematický princip zvaný výběr vrcholů, ukazující, že když je hladký gradient spárován s lokálními interakcemi, které jsou konkurenční, modulární struktury vznikají přirozeně. „Tímto způsobem se biologické systémy mohou samy organizovat do ostrých modulů bez podrobných instrukcí shora dolů,“ říká Chandra.

Modulární systémy v mozku

Výzkumníci otestovali svou myšlenku na mřížkových buňkách, které hrají klíčovou roli v prostorové navigaci a ukládání epizodických vzpomínek. Mřížkové buňky se aktivují v opakujícím se trojúhelníkovém vzoru, když se zvířata pohybují prostorem, ale ne všechny pracují ve stejném měřítku – jsou organizovány do samostatných modulů, z nichž každý je zodpovědný za mapování prostoru v mírně odlišném rozlišení.

Nikdo neví, jak se tyto moduly tvoří, ale Fietův model ukazuje, že postupné variace buněčných vlastností podél jednoho rozměru v mozku, kombinované s lokálními neuronovými interakcemi, by mohly vysvětlit celou strukturu. Mřížkové buňky se samy přirozeně třídí do odlišných skupin s jasnými hranicemi, bez externích map nebo genetických programů, které by jim říkaly, kam jít. „Naše práce vysvětluje, jak by mohly vznikat moduly mřížkových buněk. Vysvětlení naklání rovnováhu ve prospěch možnosti samoorganizace. Předpovídá, že nemusí existovat žádný gen nebo vnitřní buněčná vlastnost, která by skočila, když se měřítko mřížkové buňky přesune do jiného modulu,“ poznamenává Khona.

Modulární systémy v přírodě

Stejný princip platí i mimo neurovědu. Představte si krajinu, kde se teploty a srážky postupně mění přes prostor. Možná byste očekávali, že se druhy budou šířit a také se plynule měnit přes tuto oblast. Ve skutečnosti se však ekosystémy často formují do shluků druhů s ostrými hranicemi – odlišná ekologická „sousedství“, která se nepřekrývají.

Fietina studie naznačuje proč: místní konkurence, spolupráce a predace mezi druhy interagují s globálními environmentálními gradienty a vytvářejí přirozená oddělení, i když se základní podmínky postupně mění. Tento jev lze vysvětlit pomocí výběru vrcholů – a naznačuje, že stejný princip, který formuje mozkové obvody, by mohl být v platnosti i v lesích a oceánech.

Samoobslužný svět

Jedním z nejpozoruhodnějších zjištění výzkumníků je, že modularita v těchto systémech je pozoruhodně robustní. Změňte velikost systému a počet modulů zůstane stejný – pouze se zvětší nebo zmenší. To znamená, že myšší mozek a lidský mozek by mohly používat stejná základní pravidla k vytvoření svých navigačních obvodů, jen v různých velikostech.

Model také činí ověřitelná předpovědi. Pokud je správný, moduly mřížkových buněk by měly následovat jednoduché poměry rozestupů. V ekosystémech by měly distribuce druhů tvořit odlišné shluky i bez ostrých environmentálních posunů.

Fiete poznamenává, že jejich práce přidává do biologie další koncepční rámec. „Výběr vrcholů může informovat budoucí experimenty, nejen ve výzkumu mřížkových buněk, ale i v celé vývojové biologii.“