Разумные одноклеточные слизневики

 physarum polycephalum

Удивительный пример «разумного» поведения дает нам замечательный одноклеточный организм, именуемый Physarum polycephalum (сокращенно РР), в просторечии слизневик. Это удивительное существо на определенном этапе своего жизненного цикла представляет одну огромную клетку со множеством отдельных ядер. Ее называют плазмодием.

Слизневики РР живут в затемненных, прохладных, влажных местах, например, под пнями или гниющими листьями. Они достигают нескольких сантиметров в диаметре, видны невооруженным глазом, имеют желтый цвет и питаются грибными спорами, бактериями и другой мельчайшей живностью. Их выращивают также в лабораторных условиях, для экспериментов, и при этом выяснилось, что они очень любят размоченные в молоке овсяные хлопья. На стадии плазмодия слизневики почти все время заняты поиском пищи. Происходит это так: слизневик выпускает усики в разные стороны, и если какой-нибудь усик наткнулся на кусочек пищи, все прочие усики втягиваются обратно, а в сторону пищи выпускается большой толстый отросток, который обволакивает ее со всех сторон. В этом месте начинается выделение ферментов, с помощью которых пища переваривается и всасывается в протоплазму. Если разбросать на лабораторном столе несколько хлопьев, слизневик выращивает сразу несколько отростков. Движение этих отростков и слизневика в целом напоминает челночное. Внутри клетки происходит ритмичное возвратно-поступательное перетекание протоплазмы от одного края к другому и обратно с периодом примерно в две минуты. Перетекание вперед чуть больше, и за счет этого слизневик передвигается по почве со скоростью около сантиметра в час. Это при комнатной температуре. Если уменьшить влажность, движение замедляется. При сильном высыхании слизневик переходит на другой этап существования - в форму так называемого склеротиума: он затвердевает и остается сухим в ожидании нового увлажнения, когда опять возвращается в форму плазмодиума. В третью форму - спорангия - он переходит, полностью исчерпав запасы пищи вокруг себя: он выпускает крохотные столбики, кончающиеся спорами; созрев, эти споры разлетаются по ветру.

Так вот эти РР демонстрируют удивительную для одноклеточного существа «разумность». Прежде всего они умеют обучаться и запоминать - способности, которые обычно ассоциируются с мозговой или как минимум нейронной активностью. Это показали японские биофизики. В своем эксперименте они раз в час на десять минут резко уменьшали температуру и влажность в ящике, где в поисках пищи ползали слизневики, и те стягивались и замедляли движение. После трех повторений такие воздействия прекращались, но оказалось, что большинство слизневиков ровно через час сбавили скорость ползания, как будто в ожидании нового похолодания и сухости. Если условия не менялись в течение четырех часов, слизняки возвращались в исходное состояние, но стоило условиям снова измениться, они возобновляли свое поведение и с точностью вспоминали часовой интервал. Таким же образом слизняки реагировали на другие интервалы времени, в 30 и 60 минут.

Не менее удивительной оказалась способность РР находить и использовать пищу. Те же японцы показали, что слизневик способен определять кратчайший путь через лабиринт к пище. Этот результат был вскоре подтвержден венгерскими коллегами, и эта работа даже удостоилась Игнобелевской премии (шутливая премия, американская пародия на Нобелевскую, которая присуждается в октябре каждого года за десять достижений, которые «вначале заставляют людей смеяться, а потом думать». Ее, кстати, получил один из нобелевских лауреатов 2010 года Андрей Гейм за то, что сумел заставить крохотную лягушку подолгу висеть в воздухе - левитировать - над катушкой с магнитным полем). Как оказалось, забавное (и на первый взгляд, «разумное») свойство слизневиков ориентироваться в пространстве тоже заставляет думать.

В работах 2009 года японские биофизики пошли дальше. Сначала они предоставили плазмодию возможность выбирать из нескольких источников пищи. Плазмодий выпускал отростки в сторону этих источников и потом перетекал как целое в сторону наиболее питательного. Если оба источника оказывались недостаточно питательными, он растягивался так, чтобы вкусить от обоих. При этом его масса распределялась по двум отросткам пропорционально пищевой ценности добычи в каждом. Затем исследователи разбросали на тарелке с агаром любимые слизневиком - и одинаковые по питательности - хлопья, причем расположили их в таком порядке, который имитировал расположение городов вокруг Токио, а слизневика поместили в точку, соответствующую самому Токио. Затем они наблюдали, как слизневик рос в течение 26 часов, создавая усики, соединяющие кусочки пищи.

Понятно, что вначале усики росли в сторону ближайших хлопьев. Но уже на следующей стадии каждый усик имел несколько возможностей дальнейшего роста - к тому или иному более далекому кусочку пищи. А дальше ветвление усиков еще более усложнялось. Естественно, окончательная картина оказывалась различной у разных слизневиков, но в среднем напоминала схему пригородной железнодорожной сети вокруг Токио. Как сказал один из экспериментаторов, решения слизневиков еще, пожалуй, помогут инженерам в проектировании лучшей схемы дорог между различными пунктами.

Разумеется, это не разумность. Движение слизневика при всей его разумоподобности является замечательной иллюстрацией хемотаксиса, то есть движения клеток и других простейших организмов под воздействием химических сигналов (точно так же, впрочем, они могут двигаться и под воздействием температурных и некоторых других сигналов). Слизневик усеян рецепторами, реагирующими на запах пищи (и не только пищи - слизневик так же «разумно» уворачивается от опасных веществ). Эти химические сигналы передаются с рецепторов внутрь клетки и запускают выработанный в ходе эволюции каскад биохимических реакций, итогом которых становится изменение волокон белка актина, что и вызывает перетекание протоплазмы, результатом чего становится рост усиков и движение слизневика как целого. Если угодно, именно этот процесс - движение клетки - составляет подлинный интерес. А вот «выбор» каким-то усиком дальнейшего направления роста как раз объясняется просто: он диктуется тем неуловимым для экспериментаторов обстоятельством, что хотя все хлопья должны были бы вроде быть одинаковыми по пищевой ценности, но на самом деле какой-то из приходящих с разных сторон сигналов об этой ценности оказывался чуть-чуть сильнее других. Но ведь и инженеры проектируют, куда повернуть рельсы из пункта А - к В или к С, руководствуясь тем, где чуть-чуть больше населения или аналогичными соображениями.

Так что примерное подобие решений вполне ожидаемо. Такому «выбору» вполне можно научить игрушечную автомашину, если вставить в нее соответствующую программу и снабдить соответствующим рецептором. Есть куда более выразительные примеры того, что может сделать такое сочетание программы с рецептором. К примеру, бактерии, которые способны играть в «судоку». В этой игре, как известно, поле расчерчено на клетки, в каждую из которых нужно вписать число (от 1 до 4, если квадратов 16, от 1 до 9, если 81), но так, чтобы в этом ряду и колонке это число больше не встречалось. Обычно некоторые квадраты уже заполнены числами, требуется их дополнить. В ноябре 2010 года группа японских студентов продемонстрировала «судоку», в которой в роли игрока выступали колонии кишечных палочек - бактерий, живущих в нашем кишечнике. Сделано это было так.

16 типов бактерий были помещены в одну пробирку, и некоторым были заранее присвоены номера (того ряда и строчки, в которых они якобы находились в воображаемой решетке судоку 4х4). «Номера» эти выражались в той или иной окраске бактерий. Бактерии могли обмениваться своими РНК, несущими информацию об этих номерах, с другими бактериями. Заранее синтезированные и помещенные в ту же пробирку так называемые «антисенс-РНК» ограничивали обмен этой информации только между бактериями, относящимися к одному ряду или строчке. А встроенный во все бактерии специальный белок-регулятор понуждал бактерию, еще не имеющую никакого номера, принимать только тот номер (окраску), которого НЕ было в полученном сообщении (это как раз и позволяет выполнить основное правило судоку, по которому числа в ряду и строке не должны повторяться). В результате через какое-то время вся воображаемая сетка была заполнена цветовыми «числами» в полном соответствии с требованиями игры.

Так кто тут разумен?

Источник: журнал "Знание-сила".

Один комментарий : “Разумные одноклеточные слизневики”

  1. хорошо, а что отдергивает лапку у простейших одноклеточных организмов? у них то нет ни головного, ни спинного мозга. сопли эти живые как то реагируют на раздражители, безо всяких центров обработки импульсов, чисто сетью рецепторов. как у них это получается?

Оставить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *