Думки найпростіших

Думки найпростіших

Життя — це суцільні проблеми. Тварини вимушені пристосовуватись до навколишніх умов, шукати їжу, намагаючись при цьому нею не стати, забезпечувати продовження роду, і справляються вони з усім цим лише завдяки здатності до навчання. З тими ж труднощами стикаються найпростіші і успішно їх долають. Чи означає це, що і вони, безмозкі, також можуть вчитись? Безумовно, так, хоч і незрозуміло як.

Звикання і асоціації

У 1908 році дослідники з Університету Кларка (США) опублікували в американському психологічному журналі статтю під назвою «Повсякденне життя Amoeba proteus». Вчені спостерігали за амебами шість днів і п'ять ночей та старанно фіксували їх дії. Виявилось, що у цих найпростіших є періоди активності і спокою, а також чіткі харчові вподобання: нічого мертвого вони не їдять, а інфузорій люблять більше, ніж водорості. Канібалізм їм не властивий, хоча амеб інших видів вони поїдають. Свою здобич A. proteus цілеспрямовано переслідують. Іншими словами, амеба поводиться, як справжня тварина, так чому б їй не вчитись?

Найпростіший тип навчання — звикання, тобто зниження сприйнятливості до повторюваного стимулу. Так люди, що живуть поруч із трамвайною колією, звикають до шуму і перестають звертати на нього увагу.

Звикання знаходять у всіх організмів, у яких беруться його шукати. Серед одноклітинних, зі зрозумілих причин, найкраще вивчені найбільші. І немає серед них нікого більшого за слизовика Physarum polycephalum (фото на початку статті). Ця гігантська багатоядерна клітина (плазмодій) розростається до розмірів великого блюда і рухається зі швидкістю кілька міліметрів на годину. Поведінку фізарума кілька років вивчають французькі біологи під керівництвом Одрі Дюссутур. В лабораторії ця істота живе на чашках Петрі з агаром, із задоволенням їсть вівсяні пластівці, відчуває їх на відстані і тягнеться до ласощів. А гіркий хінін фізаруму не подобається. (Хінін нікому не подобається.) І якщо між фізарумом і вівсянкою покласти смужку агару, просочену хініном, клітина через неї не поповзе. День не поповзе, другий, а потім звикне і буде цю перешкоду долати (рис. 1). Їсти ж треба! Але не думайте, що клітині тепер будь-яка гіркота байдужа. Звикання специфічне. Якщо на шляху слизовика, привченого до хініну, покласти агар, просочений кофеїном, клітина цю перешкоду не перетинатиме, поки не навчиться. Тому що фізарум, навчаючись, не втрачає чутливість, а просто звикає до певного подразника.

Рис. 1. Перешкода стає мостом. Між P. polycephalum (внизу) і вівсянкою (вгорі) просочена хініном агарова смужка. Фізарум в центрі вже звик до хініну і тягнеться до їжі

Те, чого слизовик навчився, він запам'ятовує і набутими знаннями охоче ділиться. В культурі клітини фізарума спонтанно зливаються, і, коли навчена клітина об'єднується з ненавченою, утворений плазмодій зберігає пам'ять звиклого до хініну організму.

Рис. 2. Інфузорії Stentor roeselii

Порівняно з фізарумом різновійчасті інфузорії з роду Stentor просто крихітки, однак серед інших інфузорій вони велетні ростом в міліметр. Формою клітини нагадують грамофонну трубу (рис. 2). Вони плавають у товщі води або прикріплюються вузьким кінцем до водних рослин чи корчів. Війки, якими вкрите тіло інфузорії, женуть воду до її широкого кінця, де знаходиться рот, що втягує бактерії і дрібні водорості. Однак інфузорія настільки велика, що її саму можуть з'їсти, тому у відповідь на дотик вона швидко стискається і йде з лінії атаки (рис. 3).

На жаль, стиснення вимагає великих витрат енергії, і харчуватись в такому положенні Stentor не може, але в разі смертельної небезпеки воно себе виправдовує. Проблема в тому, що в ставку плавають водорості та інші безпечні об'єкти, які можуть торкатись клітини і тривожити її. Щоб постійно не стискатись даремно, інфузорія звикає до слабких поштовхів і не реагує на них. У 1970 році спеціаліст Мічиганського університету Девід Вуд саджав інфузорій Stentor coeruleus в склянку з водою і різко струшував. На початку експерименту інфузорії стискались майже завжди, однак після 30-го поштовху ймовірність стиснення знизилась приблизно втричі. Звикання зберігається як мінімум кілька годин.

Рис. 3. Інфузорія Stentor «присідає», рятуючись від хижака

Ще одна форма навчання — асоціація, тобто зв'язок декількох стимулів. Класичний приклад асоціативного навчання демонструють собаки, яким давали їжу під дзенькіт дзвіночка. Незабаром цей звук сам по собі викликав у тварин асоціацію з їжею і слиновиділення.

Пам'ятаєте, як фізарум долає хініновий заслін? Оскільки в кінці на нього чекає нагорода, Одрі Дюссутур та її колеги не виключають в цьому випадку можливість асоціативного навчання, коли кофеїн чи хінін передвіщають смачну вівсянку, однак асоціацію ще треба доводити, і звикання виглядає більш простим поясненням.

Дрібні інфузорії парамеції (Paramecium) теж здатні до асоціативного навчання. Вони чутливі до електричного струму і, відчувши розряд, намагаються втекти. Звукові хвилі їх не лякають. Але коли парамеція одразу після звукової хвилі частотою 500 Гц отримує удар струмом, то через три повторення тікає вже від звуку. На жаль, ці дослідження, проведені в 1979 році в Університеті штату Міннесота, не отримали продовження.

Поведінка найпростіших не зводиться до звикання і асоціацій. Інфузорії, і Paramecium, і Stentor, вчаться вибиратись зі скляного капіляра, навіть вертикального, і з кожним разом роблять це все швидше. А фізарум, виявляється, розрізняє періодичні стимули. Швидкість його руху залежить від умов. У теплі і волозі слизовик повзе швидше, ніж в прохолоді і сухості. Дослідники тримали найпростіших в теплій вогкості, але раз на годину дули на них сухим, холодним повітрям. Після трьох раундів дуття припинили, але, коли пройшов визначений час, майже половина клітин все одно сповільнила рух. Це повторилось і вдруге, і втретє. Ефект відтворюється при різних часових періодах, головне, щоб вони були регулярними.

Понад сто років дослідників бентежать експерименти американського зоолога і зоопсихолога Герберта Спенсера Дженнінгса (1868—1947). На початку ХХ століття він працював з інфузорією Stentor roeselii. Виявилось, що ця істота у відповідь на подразники не просто стискається, як S. coeruleus, а виконує стереотипну послідовність дій. Якщо легенько тикати сидяче найпростіше, воно згинатиметься, намагаючись ухилитись від контакту, і лише потім стискатиметься, якщо експериментатор продовжить турбувати інфузорію. Переконавшись, що дотики нешкідливі, S. roeselii перестане «присідати», але відхилятись буде все одно.

Рис. 4. Інфузорія Stentor roeselii ухиляється від карміну

Куди більше дошкуляв інфузорії хімічний подразник. Дженнінгс сипав їй у воронку порошок карміну. Спочатку інфузорія намагалась уникнути подразника, відхиляючись і скручуючись (рис. 4). Але Дженнінгс не припиняв, і тоді S. roeselii змінив напрямок биття війок, щоб потік води оминав рот. Коли і це не допомогло, найпростіше, нарешті, стиснулось. Розпрямилось, а кармін знову сиплеться! Тоді інфузорія вдалась до крайнощів — знялась з місця і поплила геть. Цікаво, що клітина-новачок ні за що не «сяде», поки не спробує відхилитись від порошку або відбитись від нього війками. Але якщо карміном посипають бувалу інфузорію, вона не витрачає час на дві перші реакції і стискається одразу. Дженнінгс зміг довести, що ці відмінності викликані не втомою організму, а попереднім досвідом.

Вчений припустив, що клітина в стані «вирішувати», як себе поводити, вибираючи один варіант з кількох можливих, і оцінює результативність обраної тактики. При цьому вона спирається на власний досвід, що й складає сутність навчання. Якщо найпростіше дійсно може робити такі речі, воно має «мислити». Але як?

Моделі вирішують все

Це питання турбує вчених різних спеціальностей. Нещодавно проблему спробували вирішити спеціалісти Кембриджського університету під керівництвом індійського нейробіолога Судхакарана Прабакарана. Його друг захворів на шизофренію, і відтоді доктор Прабакаран цікавиться роботою нейронних мереж. Але ймовірно, молекулярні процеси, які лежать в основі навчання, поведінки і пам'яті, зручніше досліджувати на найпростіших. Самотня клітина, на яку не впливають процеси, що відбуваються в інших клітинах, — хороший модельний об'єкт для вирішення таких задач.

Дослідники вибрали інфузорію S. roeselii, з якою працював Герберт Дженнінгс, і почали з того, що спробували відтворити його досліди. Не так вже й це виявилось просто. У 1960-х роках експерименти Дженнінгса декілька раз пробували повторити, але чомусь з іншим видом, S. coeruleus, який не витрачає сили на вигини і за першої ж незручності тікає. А S. roeselii живе в слизовій трубці, яку собі споруджує з підручних засобів. Інфузорії шкода своєї праці, тому вона намагається залишитись на місці.

Але виявилось, що вибрати правильний об'єкт недостатньо. Як висловились вчені, карміновий порошок не працював в їх руках. Замість того щоб грішити на руки, дослідники звинуватили в усьому кармін. Це натуральний продукт, який отримують із самиць кошенілі (близьких родичів клопів), тому його склад може змінюватись. Напевно, у Дженнінгса був якийсь інший кармін. Перебравши кілька подразників, зупинились на полістирольних кульках діаметром 2 мкм в водній суспензії 0,1% азиду натрію NaN3. Сипати кульки в воронку інфузорії експериментатори теж не змогли, тому просто упорскували суспензію в середовище, де знаходились S. roeselii. Втім, незважаючи на всі труднощі, вченим вдалось відтворити всі чотири реакції уникнення.

Інфузорії послідовно вигинались, змінювали напрямок биття війок, стискались і, врешті-решт, знімались з місця. Однак різні особини суттєво різнились за кількістю повторів кожної реакції і послідовністю рухів. Деякі інфузорії намагались відбитись війками перш, ніж вигнутись, деякі взагалі не вигинались, були й такі, хто не стискався, інші ж прямо зі стискань і починали, але це могло бути реакцією на механічний стимул — тиск води при вкиданні кульок.

Дженнінгс теж відзначав існування індивідуальних відмінностей, але, на відміну від Дженнінгса, який свої досліди лише описував і замальовував, Судхакаран Прабакаран з колегами провели кількісну обробку даних. Вони оцінили, скільки часу інфузорія витрачає на кожну реакцію уникнення, підрахували число стиснень і вирахували, яка при різних параметрах ймовірність того, що інфузорія все-таки втече.

Виявилось, що поведінку S. roeselii не можна пояснити звиканням: тоді інфузорії повторювали б всі реакції в певному порядку, а вони міняють їх місцями або пропускають. Асоціативною така поведінка теж бути не може, тому що немає з чим проводити асоціації. Найкраще поведінку інфузорій описує модель штучних нейронних мереж. В цій моделі є вхідні нейрони, які отримують всю інформацію, необхідну для навчання, і передають в прихований шар, який виконує обчислення, що надходять в нейрони наступного шару. Чим більше прихованих шарів, тим складніша мережа і глибше навчання. Зрештою, ми доходимо до останнього нейрона, де приймається рішення, і можна припустити, яким воно буде. Як виявилось, найточніший прогноз поведінки інфузорій дає модель з трьома шарами нейронів, хоча у S. roeselii немає жодного. Мабуть, замість них всередині клітини діють якісь молекулярні мережі, що не поступаються за складністю нейронним, і, поки їх не розшифрують, механізми навчання клітин нам не зрозуміти.

Дослідники вирішили, що для розуміння їм бракує комп'ютерної моделі. Вони описали результати своїх досліджень, розмістили рукопис на сервері відкритого доступу bioRxiv, і доктор Прабакаран відправився до США, в Медичну школу Гарвардського університету, де колись працював, до чистої води математика Джеремі Гунавардене, який свого часу навчався в Кембриджі. Результати їх спільної роботи опублікував журнал Current Biology, і ця стаття наробила шуму в засобах масової інформації. Всі лаври дістались Гунавардене, а статтю в bioRxiv навіть не згадали.

Математична обробка результатів підтвердила, що, коли інфузорій бомбардують кульками, в їх діях спостерігається ієрархія. Спочатку вигини або зміна биття війок, потім стиснення і лише потім відбуття. При повторній стимуляції S. roeselii пропускають перший етап і одразу стискаються. Однак ієрархія зберігається, оскільки без попередніх стиснень вони не тікають. Дослідники підрахували, що після кожного стиснення інфузорії ймовірність того, що наступного разу вона зніметься з місця, становить 50%, ніби клітина, приймаючи рішення, підкидає монетку.

Чим вони думають?

Виникнення ієрархії захисної поведінки пояснити досить легко. Вона дозволяє залишатись в багатих мисливських угіддях і уникнути дорогого процесу переміщення. Але чому вибір між стисненням і переміщенням виглядає випадковим, незрозуміло.

Поки вчені гадають, які молекули найпростіших визначають їх поведінку. Можливо, в цьому бере участь збудлива мембрана інфузорії. В мембрані є іонні канали, чутливі до зміни електричного потенціалу і механічного подразнення. Канали генерують хвилю збудження, аналогічну тим, що виникають в нейронах і відіграють ключову роль у звиканні.

Воллес Маршалл, керівник лабораторії клітинної геометрії Каліфорнійського університету в Сан-Франциско, припускає, що клітина має якийсь перемикач, який визначає послідовну зміну станів. Роль перемикача може грати фосфорилювання білка, функції якого часто залежать від наявності або відсутності фосфатної групи. Складнішу систему можуть забезпечувати взаємодії білка і ДНК, що регулюють роботу певних генів.

Розмірковують про молекулярні механізми і дослідники слизовиків. Одрі Дюссутур вважає, що пам'ять фізарума, коли він вчиться перебиратись через хінін, забезпечують молекули, що циркулюють в цитоплазмі. Вони ж відповідають і за передачу отриманих навичок. Але у P. polycephalum є й просторова пам'ять. Коли він рухається, то залишає за собою товстий шар слизу, на який потім намагається не наповзати. Цей слиз, як мітка в лабіринті, підказує фізаруму, де він вже був, а де ні. Якщо посадити P. polycephalum на середовище, суцільно вимазане його слизом, він не зможе орієнтуватись на місцевості. В експериментах, де потрібно було дістатись до лунки з глюкозою, обігнувши бар'єр складної форми, практично всі слизовики, поміщені на чистий агар, успішно впорались з завданням. Коли їх змушували повзти по слизу, глюкози досягла лише третина особин, і часу у них на це пішло в десять разів більше, притому що в обох експериментах вони рухались з однаковою швидкістю.

Коли фізарум їсть, він виділяє кальцій. Це атрактант, фізарум над ним зависає, тому чим більше кальцію він виділяє, тим повільніше рухається. Залежно від цього штами фізарума поділяють на швидкі, повільні і середні. А швидкість, виявляється, впливає на точність прийнятих рішень. Швидкі штами швидше дотягуються до їжі і, якщо її мало, безумовно виграють у повільних. Але якщо запропонувати їм вибір між вівсянкою і більш поживним яєчним жовтком, вони, «не подумавши», хапаються за перший-ліпший варіант, який часто виявляється вівсянкою. А повільні фізаруми встигають по дорозі зібрати інформацію про їжу (її молекули дифундують в агар) і більш ніж в половині випадків вибирають кращий шматок. Однак у виграші частіше опиняються середньошвидкісні слизовики. Вони хапають їжу швидше за повільних, але оцінюють її точніше ніж швидкі.

На думку Одрі Дюссутур та її колег, зворотний зв'язок від хімічних речовин, що знаходяться в навколишньому середовищі, був першим кроком до еволюції пам'яті у організмів з більш складними неврологічними можливостями.

Першочергове завдання очевидне — потрібно класифікувати стани клітини і описувати відповідальні за них молекули. На жаль, традиційні методи, такі як виділення білків або секвенування РНК, вб'ють клітину, і вивчати її поведінку не вийде. А нових підходів вчені ще не розробили. Як і «швидким» слизовикам, їм поки не вистачає інформації.

X

Вхід

Завантажую...