Prírodou inšpirované algoritmy

Morfogenéza

Nasledujúci popis aplikácie je prebraný zo stránky od L.Dujardina .

Candida albicans je v medicíne dôležitý mikroorganizmus, ktorý sa dá pestovať in vitro. Na Sabouraudovom médiu, toto médium sa bežne používa v medicínskych laboratóriách, je dosiahnutá kvasničná forma(yeast). Táto podoba je unicelulárna (jednobunková) a rozmnožuje sa klíčením (budding). Niekoľko iných foriem je dosiahnuteľných pri iných podmienkach. Pseudomycelium a mycelium sú filamentárne (vláknité) formy. Pseudomycelium rastie a predlžuje sa klíčením, kým mycelium rastie kontinuálne na svojich koncoch. Štvrtá forma sa volá chlamydospora. Chlamydospory sa objavia ak je Candida albicans pestovaná na špeciálnom médiu ako RAT (Rice cream Agar Tween) pri 28°C. Obvykle chlamydospory vznikajú z pseudomycélií po dobe asi 24 hodín. Produkcia chlamydospor sa používa ako test na rozlíšenie Candida albicans od ostatných príbuzných druhov.

Morfologické premeny sú dôsledkom zmien v podmienkach (prostredia).

Semi-anaerobióza sa obyčajne považuje za základný faktor chlamydosporulácie. Túto podmienku splníme, ak Candida albicans položíme pod tenký kryt. V tomto prípade sa chlamydospory tvoria blízko okrajov zásterky, ale pod ňou.

Výsledky takého experimentu vyzerajú takto (obrázok podľa L. Dujardin - so slovenským popisom):

Klasický popis chlamydospor pod zásterkou v blízkosti jej okrajov je pravdivý jedine po 24 hodinách alebo pri veľmi veľkej hustote vsadenia po 48 hodinách pestovania: ak pozorovania ukončíme po 48 hodinách, chlamydospory sa nachádzajú aj pod strednou časťou zásterky v prípade dvoch riedkych vsadení. Toto pozorovanie hranice (medzi oblasťami s a bez chlamydospor), ktorá sa pohybuje v smere gradientu anaerobiózy, sa dá pekne interpretovať pomocou teórie katastrôf.

Fyziologické štúdie chlamydosporulácie ukázali:

• všetky riadiace parametre sú navzájom závislé
• chlamydospory zrazu vytvárajú kultúry
• čas trávený vo formácii chlamydospory je závislý na ostatných parametroch pestovania, napr. na hustote osadenia a anaerobióze.

Teda, produkcia chlamydospor sa zjaví ako všetko alebo nič - jav, komplikovaný celok: niekoľko parametrov ho riadi v tom istom čase. Tieto parametre tvoria multidimenzionálnu jednotku. Morfogenéza spojí spojitú zmenu prostredia so skokovými zmenami v kultúre Candida albcans. Teória katastrôf poskytuje prostriedky na popis práve takýchto javov.

Teraz prejdime na preskúmanie vytvárania hore spomenutej hranice. Na obrázku nižšie (podľa L. Dujardin - nezmenený) je tvorba takej hranice pri vertikálnom gradiente. Potenciál, ktorý sa minimalizuje je potenciál katastrofy cusp: hranica sa zjaví, posunie sa, prehĺbi sa a konečne zastane.

Hore vidíme rozloženie bodov v závislosti na čase. Dole je obrázok (podľa L. Dujardin - nezmenený), ktorý zobrazuje pohyb hranice po gradiente.

Zeemanov model je postavený na základe hrotu. Sú tu dva riadiace parametre:

• umiestnenie na gradiente
• čas

Tieto dva parametre sú spojité: úroveň anaerobiózy sa mení kontinuálne ako sa mení vzdialenosť vyšetrovaného miesta od okraja zásterky v Petriho miske. Čas je poskladaná veličina: reprezentuje všetky zmeny počas pestovania (napr. koncentrácia substrátu). Ak majú parametre spojitý priebeh, predpokladom je kontinuálnosť aj vo výsledku. V našom prípade je riadenou veličinou morfológia Candida albicans, ktorá sa na prvý pohľad zdá byť úplne diskrétna, ale dostávame aj medziľahlé morfologické tvary. T.j. všetky prechody existujú medzi yeast a pseudomycelium. V Zeemanovom modeli putujúcej vlny premenná minimalizuje (lokálne) potenciál, ktorého hodnota je ovplyvnená dvoma parametrami. Potenciál je vlastne reprezentovaný samotným hrotom, lebo v kritickom čase minimum potenciálu zanikne: morfológia preskocí do najbližšej rovnovážnej polohy (z pseudomycelia na chlamydosporu).

Vyššie (obrázok podľa L. Dujardin - so slovenským popisom) vidíme rozdvojovaciu množinu v riadiacom poli i na samotnej ploche. Model očakáva, aby hranica vznikla, posúvala sa a pomaly sa ustálila a prehĺbila sa ďalej. Všetky tieto predikcie boli overené na kultúrach Candida albicans a produkcii chlamydospor.

Nasledujúci obrázok (podľa L. Dujardin - so slovenským popisom) ukazuje, čo sa stane, ak dáme odrody Candida albicans v médiu RAT medzi dve sklenené doštičky(D). A, B, a C boli vytvárané nasledujúcimi hustotami vsadenia: 105, 106 a 107 kvasničných buniek/ml.

Dajú sa študovať aj iné gradienty, napríklad putovanie vlny po gradiente hodnoty pH (obrázok podľa L. Dujardin - so slovenským popisom) :

Predchádzajúci popis aplikácie je prebraný od L. Dujardina .