Может ли одноклеточный организм думать?

Когда-то одноклеточная жизнь претендовала на единоличное господство на Земле. В течение примерно трех миллиардов лет бесчисленные поколения одноклеточных организмов ели, росли и размножались  — были только они.

Одноклеточные превратились в хищников и добычу, процветали и распространялись по воде и суше и образовывали сложные и динамичные экосистемы в каждой экологической нише на планете. Около 600 миллионов лет назад некоторые даже перешли порог многоклеточности.

Однако сегодня одноклеточные организмы являются синонимами таких понятий, как примитив и простота. Тем не менее, новые исследования показывают, что они могут быть способны на гораздо большее, чем могут предположить их очень дальние родственники.

Стремясь воспроизвести эксперимент, проведенный более века назад, биологи из Гарвардской медицинской школы в настоящее время представляют убедительные доказательства, подтверждающие, что по крайней мере один одноклеточный организм — поразительно трубообразная инфузория Stentor roeselii — демонстрирует поведение избегания.

По словам авторов, неоднократно подвергаясь одной и той же стимуляции — в данном случае импульсу раздражающих частиц — организм может «передумать» относительно того, как реагировать, указывая на способность к относительно сложным процессам принятия решений.

«Наши результаты показывают, что отдельные клетки могут быть гораздо более сложными, чем мы обычно думаем о них», — сказал автор исследования Джереми Гунавардена, доцент кафедры системной биологии в Институте Блаватника в HMS.

Исследователи говорят, что такая сложность имеет эволюционный смысл.

«Такие организмы, как S. roeselii, были высшими хищниками до многоклеточной жизни, и они чрезвычайно широко распространены во многих различных водных средах», — сказал он.

«Они должны быть «умными», чтобы понять, чего следует избегать, где есть и что делать с другими организмами, чтобы выжить. Я думаю, что у них могут быть сложные способы делать это».

Десять лет назад Джереми Гунаварден познакомился с работой известного американского зоолога Герберта Спенсера Дженнингса, который в 1906 году опубликовал научный текст «Поведение низших организмов». Один конкретный эксперимент привлек внимание Гунавардены.

Дженнингс изучал S. roeselii, представителя широко распространенного рода пресноводных простейших. Эти одиночные клетки отличаются своим относительно большим размером и уникальными трубчатыми телами.

Их поверхности и трубные «колокольчики» выстланы в виде волосковидных выступов, называемых ресничками, которые используются для плавания и создания вихря в окружающей жидкости, которая подметает пищу в их «рты». На другом конце их тел они выделяют фиксатор, который закрепляет их, чтобы оставаться неподвижным во время кормления.

С помощью микроскопа Дженнингс тщательно задокументировал поведение S. roeselii при воздействии раздражителя окружающей среды в виде карминового порошка.

Дженнингс наблюдал упорядоченную серию поведений. Он отметил, что, как правило, S. roeselii неоднократно сгибал свое тело, чтобы избежать порошка. Если раздражение сохранялось, это могло бы заставить его двигать реснички, чтобы изгнать частицы изо рта. Если это тоже не удавалось,  тогда S. roeselii сжимался, как ракушка, уходящая в раковину. Наконец, если все предыдущие усилия терпели неудачу, S. roeselii уплывал.

Это поведение формировало иерархию, эскалацию действий, которые организм совершал на основе ранжированных предпочтений. Наблюдение показало, что он обладает некоторыми из наиболее сложных поведений, известных для одной клетки с одним ядром.

Эксперимент вызвал широкий интерес, но последующие попытки воспроизвести его, в частности исследование, опубликованное в 1967 году, оказались безуспешными. В результате выводы Дженнингса были в значительной степени дискредитированы и забыты современной наукой.

И вот теперь команда исследователей установила экспериментальный аппарат, оборудованный видео микроскопией и системой микропозиции, чтобы точно доставлять раздражитель в область рта испытуемых S. roeselii. Первоначально ученые использовали карминовый порошок, но увидели только небольшой отклик, и методом проб и ошибок обнаружили, что микроскопические пластиковые шарики более эффективны.

В итоге ученым удалось выявить и воспроизвести все виды поведения, которые Дженнингс однажды описал.

Наблюдения и математический анализ показали, что действительно существует поведенческая иерархия. Столкнувшись с раздражителем, S. roeselii в большинстве случаев начинает сгибаться и двигать ресничками, часто одновременно.

Если раздражение продолжается, он затем сжимается или отсоединяется и уплывает. Последнее поведение почти всегда происходит после первого, и организмы никогда не отделяются без первого сокращения, указывая на предпочтительный порядок действий.

«Такая иерархия дает ясное представление о некоторой форме относительно сложных вычислений для принятия решений, происходящих внутри организма, которые взвешивают, лучше ли выполнять одно поведение по сравнению с другим», — говорят ученые.

Но результаты теперь вызывают многочисленные новые вопросы.

Анализ показал, что существует почти абсолютно равная вероятность того, что любой отдельный S. roeselii выберет сокращение или отделение, что особенно волнует ученых, которые изучают, как клетки обрабатывают информацию на молекулярном уровне.

Решение между этими двумя поведениями является последовательным, причем каждый организм самостоятельно «подбрасывает монету», независимо от предыдущих действий, говорят авторы.

«Они как-то основывают свои решения на молекулярном уровне», — сказала Гунавардена. «Я не могу придумать какой-либо известный механизм, который позволил бы им реализовать это. Это невероятно увлекательно, и Дженнингс никогда это не наблюдал, потому что нам нужны были количественные измерения для его выявления».

В более широком смысле, говорят авторы, наблюдение о том, что отдельные клетки могут быть способны к сложному поведению, может проинформировать другие области биологии.

Например, при развитии или исследованиях рака процессы, которым подвергаются клетки, часто называют программами, говорит Гунавардена, предполагая, что клетки «запрограммированы» делать то, что они делают.

«Но клетки существуют в очень сложной экосистеме, и они, в некотором смысле, разговаривают и ведут переговоры друг с другом, реагируют на сигналы и принимают решения».

«Я думаю, что этот эксперимент заставляет нас задуматься о существовании, весьма умозрительно, некоторой формы клеточного «познания», при котором отдельные клетки могут быть способны к сложной обработке информации и принятию решений в ответ», — продолжил он.

«Вся жизнь имеет одну и ту же основу, и наши результаты дают нам хотя бы одно доказательство того, почему мы должны расширять наше представление о включении такого рода мышления в современные исследования биологии».

«Это также показывает, как иногда мы склонны игнорировать вещи не потому, что их нет, а потому, что мы не считаем, что на них важно смотреть», — добавил он. «Я думаю, именно это делает наше исследование таким интересным».

Current Biology, Dexter et al.: «A complex hierarchy of avoidance behaviours in a single-cell eukaryote» https://www.cell.com/current-biology/S0960-9822(19)31431-9 , DOI: 10.1016/j.cub.2019.10.059