новость в темах: • ЗЕМЛЯ • Интеллект биоты • ТЕОРИЯ и ПРАКТИКА • Новые знания • Зарубежные

2020-04-27 (№ 23)
Думы простейших

Локализация происходящего и источник в СМИ:
Англия, Индия, США, портал Элементы, журнал «Химия и жизнь» №2, 2020

Наталья Резник, кандидат биологических наук. Жизнь — это сплошные проблемы. Животным приходится приспосабливаться к окружающим условиям, искать еду, стараясь при этом ею не стать, обеспечивать продолжение рода, и справляются они со всем этим лишь благодаря умению учиться. С теми же трудностями сталкиваются простейшие и успешно их преодолевают. Значит ли это, что и они, безмозглые, тоже учатся? Безусловно, да, хотя и непонятно как.

Физарум в центре уже привык к хинину и тянется к пище

ПРИВЫКАНИЕ И АССОЦИАЦИИ

В 1908 году два исследователя из университета кларка (США) опубликовали в американском психологическом журнале статью под названием «Повседневная жизнь Amoeba proteus». Ученые наблюдали за амебами шесть дней и пять ночей и тщательно фиксировали их действия. Оказалось, что у этих простейших есть периоды активности и покоя и четкие пищевые предпочтения: ничего мертвого они не едят, а инфузорий любят больше, чем водоросли. Каннибализм им не свойствен, хотя амеб других видов они лопают. Свою добычу A. proteus целенаправленно преследуют. Иными словами, амеба ведет себя, как настоящее животное, так почему бы ей не учиться?

Простейший тип обучения — привыкание, то есть снижение восприимчивости к повторяющемуся стимулу. Так люди, живущие рядом с трамвайными путями, привыкают к шуму и перестают обращать на него внимание.

Привыкание находят у всех организмов, у которых берутся его искать. Среди одноклеточных, по понятным причинам, лучше всего исследованы самые крупные. И нет из них никого крупнее слизевика Physarum polycephalum (фото в начале статьи). Эта гигантская многоядерная клетка (плазмодий) разрастается до размеров большого блюда и движется со скоростью несколько миллиметров в час. Поведение физарума несколько лет изучают французские биологи под руководством Одри Дюссутур. В лаборатории это существо живет на чашках Петри с агаром, с удовольствием ест овсяные хлопья, чувствует их на расстоянии и тянется к угощению. А горький хинин физаруму не нравится. (Хинин никому не нравится.) И если между физарумом и овсянкой положить полосу агара, пропитанную хинином, клетка через нее не полезет. День не поползет, другой, а потом привыкнет и будет это препятствие преодолевать (рис. 1). Есть-то надо! Но не думайте, что клетке теперь любая горечь нипочем. Привыкание специфично. Если на пути слизевика, приученного к хинину, положить агар, пропитанный кофеином, клетка эту преграду пересекать не будет, пока не научится. Потому что физарум, обучаясь, не теряет чувствительности, а просто привыкает к определенному раздражителю.

Рис. 1. Препятствие становится мостом. Между P. polycephalum (внизу) и овсянкой (сверху) пропитанная хинином агаровая полоска.



То, чему слизевик выучился, он запоминает и приобретенными познаниями охотно делится. В культуре клетки физарума спонтанно сливаются, и, когда обученная клетка объединяется с необученной, образовавшийся плазмодий сохраняет память привыкшего к хинину организма.

По сравнению с физарумом инфузории-трубачи из рода Stentor просто козявки, однако среди других инфузорий они великаны ростом в миллиметр. Формой клетки напоминают граммофонную трубу (рис. 2). Они плавают в толще воды или прикрепляются узким концом к водным растениям или корягам. Реснички, которыми покрыто тело инфузории, гонят воду к ее широкому концу, где находится рот, втягивающий бактерии и мелкие водоросли. Однако инфузория настолько крупна, что ее саму могут съесть, поэтому в ответ на прикосновение она быстро сжимается и уходит с линии атаки .

К сожалению, сжатие требует больших затрат энергии, и питаться в таком положении Stentor не может, но в случае смертельной опасности эта чрезвычайная мера себя оправдывает. Проблема в том, что в пруду плавают водоросли и другие безопасные объекты, которые могут касаться клетки и тревожить ее. Чтобы постоянно не сжиматься понапрасну, инфузория привыкает к слабым толчкам и не реагирует на них. В 1970 году специалист Мичиганского университета Дэвид Вуд сажал инфузорий Stentor coeruleus в стакан с водой и резко встряхивал. В начале эксперимента инфузории сокращались почти всегда, однако после 30-го толчка вероятность сокращения снизилась примерно в три раза. Привыкание сохраняется как минимум несколько часов

Еще одна форма обучения — ассоциация, то есть связь нескольких стимулов. Классический пример ассоциативного обучения демонстрируют собаки, которым давали еду под звон колокольчика. Вскоре этот звук сам по себе вызывал у животных ассоциацию с едой и слюноотделение.

Помните, как физарум преодолевает хининовый заслон? Поскольку в конце пути его ожидает награда, Одри Дюссутур и ее коллеги не исключают в данном случае возможность ассоциативного обучения, когда кофеин или хинин предвещают вкусную овсянку, однако ассоциацию еще надо доказывать, и привыкание выглядит более простым объяснением.

Мелкие инфузории парамеции тоже способны к ассоциативному обучению. Они чувствительны к электрическому току и, почувствовав разряд, стараются уплыть. Звуковые волны их не пугают. Но когда парамеция сразу после звуковой волны частотой 500 Гц получает удар током, то через три повторения убегает уже от звука. К сожалению, эти исследования, проведенные в 1979 году в Университете штата Миннесота, не получили продолжения.

Поведение простейших не сводится к привыканию и ассоциациям. Инфузории, и Paramecium, и Stentor, учатся выбираться из стеклянного капилляра, даже вертикального, и с каждым разом делают это все быстрее. Исследователи, обнаружившие эту способность, задаются вопросом, приходится ли инфузориям лазить по вертикальным трубкам в родных прудах. А физарум, оказывается, различает периодические стимулы. Скорость его движения зависит от условий. В тепле и влаге слизевик ползет быстрее, чем в прохладе и сухости. Исследователи держали простейших в теплой сырости, но раз в час дули на них сухим, холодным воздухом. После трех раундов дутье прекратили, но, когда положенный час прошел, почти половина клеток все равно замедлила движение. Это повторилось и во второй раз, и в третий. Эффект воспроизводится при разных временных периодах, главное, чтобы они были регулярными.

Более ста лет умы исследователей будоражат эксперименты американского зоолога и зоопсихолога Герберта Спенсера Дженнингса (1868–1947). В начале ХХ века он работал с инфузорией-трубачом Stentor roeselii. Оказалось, что это существо в ответ на раздражители не просто сжимается, как S. coeruleus, а выполняет стереотипную последовательность действий. Если легонько тыкать сидящее простейшее, оно будет изгибаться, пытаясь уклониться от контакта, и лишь потом сжиматься, если экспериментатор продолжит беспокоить инфузорию. Убедившись, что прикосновения безвредны, S. roeselii перестанет «приседать», но отклоняться будет все равно.


Куда больше досаждал инфузории химический раздражитель. Дженнингс сыпал ей в воронку порошок кармина. Сначала инфузория пыталась избежать помехи, отклоняясь и скручиваясь (рис. 4). Но Дженнингс не унимался, и тогда S. roeselii изменил направление биения ресничек, чтобы поток воды тек мимо рта. Когда и это не помогло, простейшее, наконец, сжалось. Распрямилось, а кармин опять сыплется! Тогда инфузория пошла на крайние меры — снялась с места и уплыла. Интересно, что клетка-новичок ни за что не «присядет», пока не попробует отклониться от порошка или отбиться от него ресничками. Но когда кармином посыпают бывалую инфузорию, она не тратит время на две первые реакции и сжимается сразу. Дженнингс смог доказать, что эти различия вызваны не усталостью организма, а предыдущим опытом.

Ученый предположил, что клетка в состоянии «решать», как себя вести, выбирая один вариант из нескольких возможных, и оценивает результативность выбранной тактики. При этом она опирается на собственный опыт, что и составляет сущность обучения. Если простейшее действительно может делать такие вещи, оно должно «мыслить» или «вычислять». Но как?

МОДЕЛИ РЕШАЮТ ВСЁ

Этот вопрос занимает ученых самых разных специальностей. Недавно проблему попробовали решить специалисты Кембриджского университета под руководством индийского нейробиолога Судхакарана Прабакарана. Его друг заболел шизофренией, и с тех пор доктор Прабакаран интересуется работой нейронных сетей. Но возможно, молекулярные процессы, лежащие в основе обучения, поведения и памяти, удобнее исследовать на простейших. Одинокая «обучаемая» клетка, на которую не влияют процессы, происходящие в других клетках, — хороший модельный объект для решения подобных задач.

Исследователи выбрали инфузорию S. roeselii, с которой работал Герберт Дженнингс, и начали с того, что попытались воспроизвести его опыты. Не так-то это оказалось просто. В 1960-х годах эксперименты Дженнингса пару раз пробовали повторить, но почему-то с другим видом, S. coeruleus, который не тратит силы на изгибы и при первом же неудобстве уплывает. А S. roeselii живет в слизистой трубке, которую себе сооружает из подручных средств. Инфузории жалко своих трудов, поэтому она старается остаться на месте.

Но оказалось, что выбрать правильный объект недостаточно. Как выразились ученые, карминовый порошок не работал в их руках. Вместо того чтобы грешить на руки, исследователи обвинили во всем кармин. Это натуральный продукт, который получают из самок кошенили (близких родичей клопов), сказали они, поэтому его состав может изменяться. Наверное, у Дженнингса был какой-то другой кармин. Перебрав несколько раздражителей, остановились на полистирольных шариках диаметром 2 мкм в водной суспензии 0,1% азида натрия NaN3. Сыпать шарики в воронку инфузории экспериментаторы тоже не смогли, поэтому просто впрыскивали суспензию в среду, где находились S. roeselii. Тем не менее ученым удалось воспроизвести все четыре реакции избегания.

Действительно, инфузории последовательно изгибались, изменяли направление биения ресничек, сокращались и, в конце концов, снимались с места. Однако разные особи существенно различались по количеству повторов каждой реакции и последовательности движений. Некоторые инфузории пытались отбиться ресничками прежде, чем изогнутся, некоторые вообще не изгибались, были и такие, кто не сокращался, другие же прямо с сокращений и начинали, но это могло быть реакцией на механический стимул — давление воды при вбросе шариков.

Дженнингс тоже отмечал существование индивидуальных различий, но, в отличие от Дженнингса, который свои опыты только описывал и зарисовывал, Судхакаран Прабакаран с коллегами провели количественную обработку данных. Они оценили, сколько времени инфузория тратит на каждую реакцию избегания, подсчитали число сокращений и вычислили, какова при разных параметрах вероятность того, что инфузория все-таки уплывет.

Оказалось, что поведение S. roeselii нельзя объяснить привыканием: в этом случае инфузории повторяли бы все реакции в определенном порядке, а они меняют их местами или пропускают. Ассоциативным такое поведение тоже быть не может, потому что не с чем проводить ассоциации. Лучше всего поведение инфузорий описывает модель искусственных нейронных сетей. В этой модели есть входные нейроны, которые получают всю информацию, необходимую для обучения, и передают в скрытый слой, который выполняет некие вычисления, поступающие в нейроны следующего слоя. Чем больше скрытых слоев, тем сложнее сеть и глубже обучение. В конце концов, мы добираемся до последнего нейрона, где принимается решение, и можно предположить, каким оно будет. Оказалось, что самый точный прогноз поведения инфузорий дает модель с тремя слоями нейронов, хотя у S. roeselii нет ни одного. По-видимому, вместо них внутри клетки действуют какие-то молекулярные сети, не уступающие по сложности нейронным, и, пока их не расшифруют, механизмы обучения клеток нам не понять.

Исследователи решили, что для понимания им не хватает компьютерной модели. Они описали результаты своих исследований, разместили рукопись на сервере открытого доступа bioRxiv, и доктор Прабакаран отправился в США, в Медицинскую школу Гарвардского университета, где когда-то работал, к чистой воды математику Джереми Гунавардене, который в свое время учился в Кембридже. Результаты их совместной работы опубликовал журнал Current Biology, и эта статья наделала шума в средствах массовой информации. В итоге все лавры достались Гунавардене, а статью в bioRxiv даже не упомянули.

Математическая обработка результатов подтвердила, что, когда инфузорий бомбардируют шариками, в их действиях наблюдается иерархия. Сначала изгибы или изменение биения ресничек, потом сокращение и лишь потом отбытие. При повторной стимуляции S. roeselii опускают первый этап и сразу сжимаются. Однако иерархия сохраняется, поскольку без предварительных сокращений они не уплывают. Исследователи подсчитали, что после каждого сжатия инфузории вероятность того, что в следующий раз она снимется с места, составляет 50%, как будто клетка, принимая решение, подбрасывает монетку.

ЧЕМ ОНИ ДУМАЮТ?

Возникновение иерархии защитного поведения объяснить достаточно легко. Она позволяет оставаться в богатых охотничьих угодьях и избежать дорогостоящего процесса перемещения. Но почему выбор между сокращением и перемещением выглядит случайным, непонятно.

Пока ученые гадают, какие молекулы простейших определяют их поведение. Возможно, в этом участвует возбудимая мембрана инфузории. В мембране есть ионные каналы, чувствительные к изменению электрического потенциала и механическому раздражению. Каналы генерируют волну возбуждения, аналогичную тем, которые возникают в нейронах и играют ключевую роль в привыкании.

Уоллес Маршалл, руководитель лаборатории клеточной геометрии Калифорнийского университета в Сан-Франциско, предполагает, что у клетки есть некий переключатель, определяющий последовательную смену состояний. Роль переключателя может играть фосфорилирование белка, функции которого часто зависят от наличия или отсутствия фосфатной группы. Более сложную систему могут обеспечивать взаимодействия белка и ДНК, регулирующие работу определенных генов.

Размышляют о молекулярных механизмах и исследователи слизевиков. Одри Дюссутур полагает, что память физарума, когда он учится перебираться через хинин, обеспечивают молекулы, циркулирующие в цитоплазме. Они же отвечают и за передачу полученных навыков. Но у P. polycephalum есть и пространственная память. Когда он движется, то оставляет за собой толстый слой слизи, на который потом избегает наползать. Эта слизь, подобно метке в лабиринте, подсказывает физаруму, где он уже был, а где нет. Если посадить P. polycephalum на среду, сплошь вымазанную его слизью, он не сможет ориентироваться на местности. В экспериментах, где нужно было добраться до лунки с глюкозой, обогнув барьер сложной формы, практически все слизевики, помещенные на чистый агар, успешно справились с задачей. Когда их вынуждали ползти по слизи, глюкозы достигла только треть особей, и времени у них на это ушло в десять раз больше, притом что в обоих экспериментах они двигались с одинаковой скоростью.

Когда физарум ест, он выделяет кальций. Это аттрактант, физарум над ним зависает, поэтому чем больше кальция он выделяет, тем медленнее движется. В зависимости от этого штаммы физарума подразделяют на быстрые, медленные и средние. А скорость, оказывается, влияет на точность принятых решений. Быстрые штаммы быстрее дотягиваются до пищи и, если ее мало, безусловно выигрывают у медленных. Но если предложить им выбор между овсянкой и более питательным яичным желтком, они, «не подумавши», хватаются за первый попавшийся вариант, который часто оказывается овсянкой. А медленные физарумы успевают по дороге собрать информацию о пище (ее молекулы диффундируют в агар) и более чем в половине случаев выбирают лучший кусок. Вообще-то в выигрыше чаще оказываются среднескоростные слизевики. Они хватают еду быстрее медленных, но оценивают ее точнее быстрых.

По мнению Одри Дюссутур и ее коллег, обратная связь от химических веществ, находящихся в окружающей среде, была первым шагом к эволюции памяти у организмов с более сложными неврологическими возможностями.

Первоочередная задача очевидна — нужно классифицировать состояния клетки и описывать ответственные за них молекулы. К сожалению, традиционные методы, такие как выделение белков или секвенирование РНК, убьют клетку, и изучать ее поведение не получится. А новых подходов ученые еще не разработали. Как и «быстрым» слизевикам, им пока не хватает информации.

.Рис. 2. Инфузории Stentor roeselii

forum.k156.ru

mir.k156.ru

arh.k156.ru

costroma.k156.ru

k156.ru/index2.php

shar.k156.ru

https://paleoforum.ru