Prírodou inšpirované algoritmy

Účel bunky

Účel bunky určuje jej konečné umiestnenie, spojitosť s ostatnými bunkami a úlohu v dospelom fenotype (termín bunka sa používa ako základná jednotka vyvíjajúceho sa fenotypu). Účel bunky je určený génmi ktoré sú určené počas jej vývinu. Napríklad, bunky pečene sa prejavujú rozdielnou vzorkou vyjadrenia génov ako mozgové bunky, aj keď obsahujú rovnaké gény v genóme. Systémy UE musia odpovedať kľúčovú otázku: „Ako je determinovaný účel bunky?“ V tradičnom gramatickom kódovaní, konečná rola špecifickej štruktúry je získaná z gramatického odvodenia, zatiaľ čo bunky v prístupoch bunkovej chémie môžu odvodiť svoje konečné roly pomocou chemických signálov od ostatných buniek alebo od aktivovaných génov vnútri bunky.

V biológii, účely buniek sú determinované rôznymi spôsobmi. Sú im pridelené často pomocou prichádzajúcich signálov z vonkajšej bunky nazvanej organizér. Bunka môže nadobudnúť svoj účel niekoľkými statickými a signálovými stratégiami:

• Stupňovitá indukcia - signál je vypustený z organizéra v stupňovitej forme. Prvotná bunka prijímajúca najsilnejší signál zaujme účel A, zatiaľ čo tie, ktoré príjmu slabší signál zaujmú účel B.
• Dvojkroková indukcia - organizér najprv vyšle rovnaký signál všetkým prvotným bunkám. Takto sa z nich vytvorí prvotné zoskupenie buniek. Potom vyšle sekundárny signál do častí tohto zoskupenia, čím určí jej budúci účel.
• Sekvenčné - signál z organizéra dosiahne iba jedinú prvotnú bunku, ktorá zaujme účel A. Táto potom posiela druhé signály do priľahlých prvotných buniek, čím im dáva sekundárne identity.
• Samoorganizácia - prvotné bunky signalizujú ostatným a dynamické vlastnosti siete signálov prideľujú úlohy bez potreby nejakej bunky organizéra.
• Predvzorkovanie - samotné vyjadrenie génov, odvodené z každej vývinovej línie prvotných buniek. Signály nie sú použité, teda stav rodičovskej bunky plne špecifikuje stav jej potomka.

Určenie účelu bunky

Kým v biológii sú použité všetky tieto stratégie, každá ich podmnožina môže byť použitá na špecifikáciu účelu bunky v systéme UE. Gramatické systémy majú tendenciu spoliehať sa na predvzorkovanie, zatiaľ čo prístupy bunkovej chémie sa spoliehajú na množinu signálových stratégií. Oba prístupy môže použiť ľubovoľnú z hore spomenutých stratégií. Napríklad, parametre kontextov v pravidlách L-systémov môžu obsahovať signálové obmedzenia, zatiaľ čo prístupy bunkovej chémie sa môžu vo veľkej miere spoliehať na predvzorkovanie.

Okrem hore spomenutých stratégií, UE môže využiť výhodu informácie o pozícii, ktorá nie je explicitne dostupná v prírode. V UE, informácia o koordinátach je známa hneď na prvý pohľad a preto nieje potrebné ju evolvovať. Pravidlá alebo gény môžu byť vytvorené tak, že sa explicitne aktivujú podľa súradníc buniek (v karteziánskej sústave), v ktorých sú obsiahnuté. Informácia o pozícii bunky môže byť použitá na priamu špecifikáciu účelu, alebo na regionalizáciu embrya do skupiny bunkových účelov.

Pretože výpočtovo dostupná informácia sa môže líšiť od tej, ktorá je dostupná v prírode, dizajn systémov UE by mal byť založený na principiálnych analýzach prínosov a záporov rôznych prírodných aj umelých stratégií. Napríklad, predvzorkovanie je výpočtovo nenáročné, ale použité osamote umožňuje iba jediný málo dynamický spôsob špecifikácie identít. V protiklade dvojkroková indukcia a samoorganizácia sú dynamické prístupy na určenie účelu, ale znamenajú veľkú výpočtovú záťaž. Objem, akým prispievajú rôzne stratégie do vývinu vysoko komplexných systémov, je neznámy.

Ďalšou otázkou je, ako prvotné bunky vznikajú, predtým ako sa diferencujú. V prírodných embryách, prvotné bunky musia byť vytvorené a distribuované organizovaným spôsobom. Skoré množenie prvotných buniek sa nazýva štiepenie. Počas neho sa objavuje množstvo delení buniek. Keď sa delenie buniek začína spomaľovať, tieto skoré bunky, nazývané blastoméry, usporiadajú svoje pozície pohybujúc sa okolo embrya v procese nazvanom gastrulácia.

Prírodný nervový systém sa rozsiahlo spolieha na migráciu buniek pre ich správne umiestnenie, výskumníci UE musia determinovať ako zvýšená migrácia pomáha evolučnému hľadaniu. Jedna z možností je, že migrujúce neuróny dávajú možnosť evolúcii vyjadriť podobné fenotypy rôznymi spôsobmi pomocou dynamického umiestnenia buniek v ich konečných pozíciách. Napríklad, vďaka migrácii, fenotypická trieda (ako napr. neuróny) môže byť vytvorená celá naraz v jednej jedinej pozícii. Evolúcia môže potom produkovať centrá, kde sa budú objavovať triedy buniek a potom umiestniť a spojiť tieto bunky v rôznych pozíciách.

Migrácia buniek môže prebiehať rôzne. V nízkoúrovňových implementáciách sa bunky doslovne pohybovali po vyvíjajúcej sa štruktúre ako to robia v prírodných embryách. Avšak, UE bunky môžu namiesto toho predšpecifikovať konečnú pozíciu ich potomkov, použitím buď absolútnych alebo relatívnych súradníc. V tomto prípade simulačná migrácia nie je potrebná.

Najviac výskumu sa sústreďuje na oblasť oddelenia faktorov v určovaní účelu buniek, ktoré sa vyvinuli ako odpoveď na fyzikálne ohraničenia v prírode od tých, ktoré umožňujú proces evolučného hľadania. Naviac, dopad rôznych výpočtových zjednodušení na schopnosť vývinu musí byť tiež čo najpresnejšie určený.