“沒有腦子”的單細(xì)胞生物可能比你想象中更“聰明”！

生物在沒有大腦的情況下可以產(chǎn)生認(rèn)知學(xué)習(xí)能力嗎？

酷似“九頭蛇”的水螅，沒有腦子和神經(jīng)元

問題的產(chǎn)生來源于美國心理學(xué)家阿特麗斯·蓋爾伯所開展的一項雙核草履蟲實驗，為了研究草履蟲的捕食行為，她向草履蟲培養(yǎng)液中插入了帶細(xì)菌的電線。

在草履蟲眼中，細(xì)菌不亞于一場饕餮盛宴，所以當(dāng)電線插入后，它們很快朝著食物游了過去。而經(jīng)過幾次試驗后，她發(fā)現(xiàn)只要將電線插入草履蟲培養(yǎng)液中，即便上面沒有細(xì)菌，也會引發(fā)同樣的覓食行為。

因此她認(rèn)為草履蟲正在學(xué)習(xí)將電線和食物建立聯(lián)系，更重磅的是，通過她的研究或許能表明：某些認(rèn)知學(xué)習(xí)過程所需的生物機(jī)制可能并一定存在于動物大腦神經(jīng)元之間的連接中，而是存在于單個細(xì)胞本身。

草履蟲

結(jié)論一出，立馬引發(fā)了科學(xué)界的震動，盡管有不少同仁對她的想法很感興趣，但在這之前，科學(xué)界普遍認(rèn)為只有高度進(jìn)化、具有中樞神經(jīng)系統(tǒng)的多細(xì)胞生物才具備學(xué)習(xí)行為。

因此當(dāng)時大部分科學(xué)家完全不認(rèn)可此結(jié)論，認(rèn)為她的實驗中缺失重要的對照組，從而無法排除其他因素對實驗的影響，比如有機(jī)體對簡單刺激（如電流或食物）產(chǎn)生本能反應(yīng)的趨向性。

于是，這個問題也成為了科學(xué)界遲遲未能攻克的一個難題。直到黏菌這種“神秘”生物給了科學(xué)家一些新的思路。

單個網(wǎng)柱細(xì)胞黏菌

首先，黏菌既不是細(xì)菌，也不是真菌，它的名稱來源于這種生命體某一段生命周期的“體態(tài)特征”。當(dāng)它們處于生長期的時候，由于缺少細(xì)胞壁的存在，它們無包裹的原生質(zhì)團(tuán)看起來就像是一團(tuán)成凝膠狀的“黏液”，由此而得名。

處于原生質(zhì)團(tuán)時期的絨泡黏菌

實際上，黏菌屬于原生動物門，與草履蟲、變形蟲等生物互為“同門師兄弟”，它們都以自然界的微生物為食，但不同之處在于黏菌可以作為單細(xì)胞自由生活，也可以聚集在一起形成多細(xì)胞生殖結(jié)構(gòu)。

比如常見的多頭絨泡菌，當(dāng)食物充足的時候，它們更傾向于單獨(dú)活動，自己一個人吃頓好的；但在食物短缺時，大量的單細(xì)胞個體會慢慢聚集起來并作為一個整體移動，我們暫且稱之為“黏菌團(tuán)”吧。在這種狀態(tài)下，它們對空氣中的化學(xué)物質(zhì)更敏感，可以找到哪個方位有食物存在。

培養(yǎng)中的黏菌正在尋找食物

那么有意思的來了，這么多單細(xì)胞聚集在一起，大家都是“沒腦子”的，到底應(yīng)該聽誰的呢？

其實，當(dāng)黏菌聚集在一起后，彼此之間已經(jīng)通過細(xì)胞質(zhì)連接在了一起，由于細(xì)胞質(zhì)會在“黏菌團(tuán)”內(nèi)部有節(jié)奏地進(jìn)行流動，這樣一來整體才能進(jìn)行移動，另外，每個單細(xì)胞的分子也會隨著細(xì)胞質(zhì)流動而擴(kuò)散到其他細(xì)胞中“串串門”。

延時記錄黏菌活動速度

看到這，是不是感覺有點(diǎn)大腦神經(jīng)元連接內(nèi)味兒了，那么這種流動是否還能傳輸信息呢？來自日本和匈牙利的研究人員做了一個“迷宮實驗”，他們把多頭絨泡菌放在一個迷宮盒子中，并將食物分別放在迷宮的出口和入口，然后觀察黏菌的擴(kuò)散情況。

黏菌迷宮實驗

一開始黏菌們四處碰壁，但憑借著對食物的敏感性，它們還是很快地就找到了食物的所在地，接著神奇的一幕出現(xiàn)了，當(dāng)接觸到食物后，黏菌們迅速在兩處食物之間做出反應(yīng)，收回死胡同中的細(xì)胞質(zhì)，并且在迷宮中四條長短不一的正確路線中選擇了最短的一條。

黏菌細(xì)胞質(zhì)集中在了正確的迷宮路線上

這意味著黏菌之間不光會傳輸信息，甚至還能對信息做出處理，選出最佳路線。

顯然，有了這個發(fā)現(xiàn)，科學(xué)家不會就此“善罷甘休”，他們提高了實驗難度，把食物源增加到兩種以上，同時按照東京及其周邊36個城鎮(zhèn)的地理分布進(jìn)行擺放，讓黏菌們玩起了東京版“模擬城市交通”。

黏菌團(tuán)向著食物“進(jìn)攻”

結(jié)果黏菌果然沒有讓人失望，在20多個小時后，黏菌不僅完成了對所有食物的搜集工作，還在進(jìn)行自我組織、向外擴(kuò)散的過程中形成了一個穩(wěn)定食物網(wǎng)，而這個網(wǎng)絡(luò)，不論在功能上，還是能源成本上都堪比現(xiàn)實中東京鐵路網(wǎng)。

東京鐵路網(wǎng)是世界上合理布局且高效利用的系統(tǒng)之一，由幾代工程師通過大量模擬而成

除此之外，黏菌還完美通關(guān)了“模擬城市交通”英國版、葡萄牙版和西班牙版，成績喜人。

盡管黏菌沒有神經(jīng)系統(tǒng)，但它們具有特定的計算規(guī)則來支配這些復(fù)雜行為，因此科學(xué)家們嘗試使用分布式規(guī)則來模擬黏菌的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡單的機(jī)械操控。或許在不久的未來，黏菌將取代人工智能（AI）成為控制機(jī)器人的核心“大腦”。

在芯片內(nèi)部，黏菌模具被幾個檢測電導(dǎo)率的電極包圍