《细胞》子刊新研究:单细胞生物并不“无脑” 它也能进行复杂决策
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《细胞》子刊新研究:单细胞生物并不“无脑” 它也能进行复杂决策

2019年12月08日 16:58:26
来源:前瞻网

如今,单细胞生物是原始和简单的同义词。然而,新的研究表明,它们的能力可能远远超出人类的想象。

通过复制一个多世纪前进行的一项实验,哈佛医学院(Harvard Medical School)的系统生物学家现在拿出了令人信服的证据,证明至少有一种单细胞生物——Stentor roeselii——表现出了回避行为的层次结构。

作者说,反复暴露在相同的刺激下,生物体实际上可以“改变其反应方式”,这表明它们有能力做出相对复杂的决策过程。

研究结果发表在12月5日的《当代生物学》(Current Biology)网络版上。《当代生物学》(Current Biology)是《Cell》的子刊。

“我们的发现表明,单个细胞比我们通常认为的要复杂得多,”相应研究的作者、哈佛大学布拉瓦特尼克研究所(Blavatnik Institute at HMS)系统生物学副教授杰里米·古纳瓦德纳(Jeremy Gunawardena)说。

研究人员说,这种复杂性在进化上是有道理的。

“像S. roeselii这样的生物在多细胞生物出现之前就是食物链顶端的食肉动物,它们在许多不同的水生环境中分布极为广泛,它们必须‘聪明’地弄清楚应该避免什么,在哪里进食,以及生物体为了生存必须做的所有其他事情。我认为很明显,他们可以用复杂的方式来做到这一点。”

这次科学家们复制的是10年前美国著名动物学家詹宁斯的实验。S. roeselii这种原生生物体表布满了纤毛,可以游泳,并把食物微粒扫进自己的“嘴”里。它们还会分泌一个“把手”,把自己粘在碎屑上,使自己在进食时保持静止。

詹宁斯的实验发现,S. roeselii在接触环境刺激物胭脂红粉时,通常情况下它会反复弯曲身体以避开粉末。如果刺激持续存在,它会逆转纤毛的运动,将微粒从嘴里排出。如果这个方法失败了,它就会收缩,迅速地把自己拉回到自己的“把手”上,就像一只藤壶缩回壳里一样。最后,如果之前的所有努力都失败了,S. roeselii就会脱离它的碎屑,游走。

但是此后对詹宁斯研究结果的重复实验没有成功。古纳瓦德纳认为,重复实验之所以失败是因为研究人员使用了不同的原生生物。在好奇心的驱使下,没有正式的资助支持,他的团队花了数年时间来研究这个项目。

然而,研究小组未能发现詹宁斯所记录的整齐有序的行为等级。 相反,实验对象之间似乎存在着相当大的差异----一个标本在收缩前可能会弯曲和改变其纤毛,但另一个标本可能只是反复收缩,而另一个标本会交替弯曲和收缩。

他们开发了一种方法,将他们看到的不同行为编码成一系列符号,然后利用统计分析来寻找模式。而统计分析显示,的确存在一种行为模式。

当遇到刺激物时,S. roeselii大多数时候会弯曲和改变它的纤毛,而且通常是同时发生的。如果刺激持续下去,它就会收缩或分离,然后游走。 后者的行为几乎总是发生在前者之后,而且有机体在没有首次收缩的情况下是不会分离的,这表明了一个优先的行为顺序。

“它们先做简单的事情,但如果你继续刺激它们,它们就会‘决定'尝试其他事情。它们没有大脑,但似乎有某种机制,实际上,一旦感到刺激持续时间太长,就会让它‘改变主意'。 ”

他说: “这种等级制度让我们清楚地感觉到,生物体内部正在进行某种形式的相对复杂的决策计算,权衡执行一种行为与执行另一种行为是否更好。”。

“我认为这个实验迫使我们去思考存在着某种形式的细胞‘认知',其中单个细胞能够进行复杂的信息处理并作出相应的决策,”他继续说道。 “所有生命都有相同的基础,我们的研究结果至少为我们提供了一个证据,证明我们为什么应该拓宽视野,将这种思维纳入现代生物学研究中。”