Öğrenmenin genellikle bir beyin gerektirdiği düşünülür. Ancak öğrenme, mutlaka nöronlara bağlı olmayan geniş bir kavramdır.
Bir organizma gelecekteki kararlarını şekillendirmek için geçmiş deneyimlerden gelen bilgileri kullanıyorsa, aynı zamanda öğreniyor demektir.
Laboratuvarımda PRX Life dergisinde yayınlanan araştırma, tek bir bakterinin bile deneyimlerden ders çıkarabildiğini, geçmişten anılar depolayabildiğini ve bu anıları geleceğe hazırlanmak için kullanabileceğini gösteriyor.
Besin takibi
Bakteriler sürekli değişen ortamlarda ve birçok farklı zaman ölçeğinde yaşarlar. Örneğin insan bağırsağında besin seviyeleri yükselip düşüyor, sıcaklıklar değişiyor ve antibiyotik tehditleri gelip geçiyor.
Hayatta kalabilmek için bir bakterinin, yakın zamanda deneyimlediği şeylerle ilgili yararlı bilgileri muhafaza ederken, aynı zamanda şu anda olup bitenlere hızlı bir şekilde tepki vermesi gerekir. Çok hızlı uyum sağlamak, bakteriyi değişen koşullara karşı savunmasız bırakırken, çok hızlı unutmak, bakterinin tekrarlayan bir tehdidi öngörememesine neden olur.
Bir bakteri bu dengeleme işini nasıl başarıyor? Bu soru, canlı sistemlerin bilgiyi nasıl işlediğini ve değişen ortamlara nasıl uyum sağladığını inceleyen bir hesaplamalı biyofizikçi olarak ilgimi çekti.
Bakteriler gibi tek hücreli organizmaların geçmiş deneyimlerden ders alıp alamayacağını araştırmak için meslektaşlarım ve ben, on binlerce bireyin davranışlarını izlemek üzere mikroakışkan cihaz adı verilen cihazı kullandık. E. coli Hücrelerin besin kaynaklarını farklı oranlarda açıp kapattığımızda.
Eric Erbe, Christopher Pooley/USDA
Bakterilerin yalnızca çevrelerindeki mevcut besin seviyelerine tepki vermekle kalmayıp, aynı zamanda değişen koşullarla başa çıkabilmek için besin geçmişlerini de takip ettiklerini bulduk.
Bakteriler sadece mevcut ortamlarına tepki veriyor olsaydı, önceki ortamlarının sabit mi yoksa hızla dalgalanan mı olduğuna bakılmaksızın, ani bir yiyecek darbesine tamamen aynı şekilde tepki verirlerdi. Tersine, aynı besin akışına maruz kaldıklarında, ziyafet ve kıtlık ortamını yeni deneyimlemiş olan bakteriler, istikrarlı bir çevredeki bakterilerden çok daha hızlı adapte oldular.
Her iki bakteri için de anlık koşullar aynı olduğundan, davranışlarındaki farklılığın, şimdiki zamana karşı basit bir tepkiden ziyade, geçmişlerinin depolanmış dahili kayıtlarından kaynaklanması gerektiğini düşündük.
Başka bir deyişle, bakterinin geçmiş deneyimleri şimdiki davranışlarını şekillendiriyordu; öğreniyorlardı.
Bakterilerin hafızayı depoladığı yer
Peki bu hücreler bu bilgiyi nerede saklıyordu?
Bakterilerin besin ortamlarındaki değişikliklere nasıl tepki verdiğini daha iyi anlamak için ekibim ve ben bakteri üremesini kontrol eden iç moleküler ağın matematiksel bir modelini oluşturduk. Modelimiz yalnızca bakterilerin farklı besin ortamlarında nasıl davrandığını yeniden üretmekle kalmadı, aynı zamanda hafızalarının muhtemelen nerede bulunduğunu da ortaya çıkardı.
Modelimiz, potansiyel bir hafıza depolama alanı olarak ribozom adı verilen hücre bileşenine işaret ediyordu. Ribozomlar hücrelerin moleküler fabrikalarıdır, proteinler oluşturur ve bir hücrenin ne kadar hızlı büyüyeceğini belirler. Bakteriyel hafıza bize büyüme oranındaki değişiklikler olarak gösterildiğinden, modelimiz bu hafızanın kaynağını büyümeyi sağlayan fabrikalarda buldu. Modelde test ettiğimiz başka hiçbir bileşen bu davranışı yeniden üretmedi.
Bazı ribozomlar besin değişikliklerine hızlı tepki verirken bazıları daha yavaş değişti. Hızlı tepki verenlerin şu anda olup biteni takip ettiğini, yavaş tepki verenlerin ise geçmişin izlerini sürdürdüğünü düşündük. Birlikte hücreye dakikalardan saatlere kadar birçok zaman ölçeğini kapsayan bir hafıza sağlarlar.
Bakteri ve AI sistemleri
Matematiksel modelimizi kullanarak, bu moleküler sistemin tekrarlayan bir sinir ağıyla aynı temel hesaplama mantığını izlediğini bulduk: konuşma ve sensör verileri gibi dizileri işlemek için kullanılan bir tür yapay zeka.
Bu sürecin anahtarı, bilgisayar bilimcilerinin geçit adını verdiği şeydir; yani, mevcut belleğin ne kadarının tutulacağına ve yeni bilgi geldiğinde ne kadarının üzerine yazılacağına karar veren moleküler bir anahtardır. Hücreler hafızayı bir maliyetle korurlar çünkü uyarlanabilir hazırlığı sürdürmek büyüme pahasına olur. Bir bakteri enerjisini mevcut ortamına uyum sağlamak için harcarsa, büyümeye harcayacağı kaynaklar daha az olur. Bakteriler, ne kadarının tutulacağını ve ne kadarının atılacağını aktif olarak düzenlemek için moleküler kapıları kullanır.
Modern yapay zeka sistemleri, yeni bir şeyler öğrenecek kadar esnek kalarak önemli ayrıntıları hatırlamak için kapılara güveniyor. Bakteride kapı yazılımla değil, hücrenin içindeki kimyayla oluşturulmuştur.
Bu strateji aynı zamanda yapay zeka araştırmacılarının aşina olduğu bir sorunun çözülmesine de yardımcı oluyor: Daha önce öğrenilenleri silmeden yeni bir şeyin nasıl öğrenileceği. Bakteri hücreleri, bilgiyi birden fazla zaman ölçeğinde depolayarak hafızayı ve esnekliği dengeler. Bu tür geçmişe bağlı hesaplama, nöronlara ihtiyaç duymaz. Bunun yerine çalışmamız, bir ribozom popülasyonu ağının yeterli olduğunu gösterdi.
İnsanlar yapay zekayı geliştirmeden çok önce bakteriler, geleceğe hazırlanmak için geçmişi kullanmaya yönelik oldukça benzer bir strateji geliştirmişti.
Bakteriyel hafızanın kullanılması
Öğrenmenin en geniş tanımını kullanarak bulgularımız, hafıza ve öğrenmenin, beyin veya herhangi bir tür nöron olmadan, bir hücredeki kimyasal ağlardan kaynaklanabileceğini gösteriyor.
Çalışmamız aynı zamanda biyoloji ile yapay zeka arasında beklenmedik bir bağlantıyı da ortaya koyuyor. Biyoloji için matematiksel modelimiz, hücrelerin bilgiyi nasıl işlediğini ve karar verdiğini açıklamak için kesin, niceliksel bir dil sağlar. Yapay zeka, katı enerji kısıtlamaları altında sürekli öğrenebilen bina sistemleri için biyolojik bir model sağlar.
Bu bulguların tıp açısından da etkileri olabilir. Birçok patojen bakteri, vücut içindeki değişen koşullara uyum sağlayarak hayatta kalır. Eğer bu uyum yeteneği hücresel hafızaya bağlıysa, gelecekte enfeksiyonu tedavi edecek ilaçlar, hücrelerin çevreleriyle ilgili bilgileri depolamasına ve kullanmasına izin veren moleküler bileşenleri bozabilir.