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“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?
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。
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。
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。
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。
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”。
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。
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。
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”。
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)。
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”。
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