Когда-то одноклеточная жизнь претендовала на единоличное господство над землей. Около трех миллиардов лет непостижимые поколения одноклеточных организмов питались, росли и размножались только друг у друга. Они превратились в хищников и добычу, процветали и распространялись по первобытным водам и суше и образовывали сложные и динамичные экосистемы в каждой экологической нише на планете. Около 600 миллионов лет назад некоторые из них даже перешагнули порог многоклеточности.
Сегодня, однако, одноклеточные организмы являются синонимами таких понятий, как примитивный и простой. Тем не менее, новые исследования показывают, что они могут быть способны на гораздо большее, чем могут подозревать их очень далекие родственники-люди.
В попытке воспроизвести эксперимент, проведенный более века назад, системные биологи из Гарвардской медицинской школы представили убедительные доказательства, подтверждающие, что по крайней мере один одноклеточный организм - Stentor roeselii в форме трубы - демонстрирует иерархию избегания поведения.
Повторно подвергаясь одной и той же стимуляции - в данном случае импульсу раздражающих частиц - организм может фактически «передумать» о том, как реагировать, говорят авторы, что указывает на способность к относительно сложным процессам принятия решений..
"Наши результаты показывают, что отдельные клетки могут быть намного более сложными, чем мы обычно думаем", сказал автор соответствующего исследования Джереми Гунавардена, доцент системной биологии в Институте Блаватника в HMS.
Исследователи говорят, что такая изощренность имеет эволюционный смысл.
«Организмы, подобные S. roeselii, были высшими хищниками до появления 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 все другие вещи, которые организмы должны делать, чтобы жить. Я думаю, ясно, что у них могут быть сложные способы делать это».
Увлекательный, но забытый
Десять лет назад на лекции английского биолога Денниса Брея Гунавардена познакомился с работами выдающегося американского зоолога Герберта Спенсера Дженнингса, который в 1906 году опубликовал влиятельный текст «Поведение низших организмов». Один конкретный эксперимент привлек внимание Гунавардены.
Дженнингс изучал S. roeselii, представителя широко распространенного рода пресноводных простейших. Эти одиночные клетки отличаются относительно большими размерами и уникальными трубчатыми телами. Их поверхности и трубные «колокольчики» выстланы похожими на волоски выступами, называемыми ресничками, которые используются для плавания и создания вихря в окружающей жидкости, который затягивает пищу в их «рта». На другом конце своего тела они выделяют фиксатор, который прикрепляет их к детриту, чтобы они оставались неподвижными во время кормления.
С помощью микроскопа, пипетки и твердой руки Дженнингс тщательно задокументировал поведение S. roeselii при воздействии раздражителя окружающей среды в виде порошка кармина.
Дженнингс наблюдал упорядоченную серию поведенческих реакций. Он отметил, что, как правило, S. roeselii неоднократно сгибала свое тело, чтобы избежать порошка. Если раздражение не исчезнет, он изменит движение своих ресничек, чтобы удалить частицы изо рта. Если и это не удастся, он сожмется и быстро притянется к своей опоре, как морская ракушка, скрывающаяся в своей раковине. В конце концов, если все предыдущие усилия не увенчались успехом, S. roeselii отсоединит свою цепочку и уплывет.
Эти поведения сформировали иерархию, эскалацию действий, которые организм выполнял на основе ранжированных предпочтений. Это наблюдение предполагает, что она обладает одними из самых сложных моделей поведения, известных для одиночной клетки с одним ядром.
Эксперимент вызвал широкий интерес, но последующие попытки его воспроизвести, в частности исследование, опубликованное в 1967 году, не увенчались успехом. В результате открытия Дженнингса были в значительной степени дискредитированы и забыты современной наукой.
Проект Skunkworks
Как порошок кармина в совершенно пригодной для жизни луже воды, это беспокоило Гунавардена, поэтому он отследил исследование 1967 года. К своему удивлению, он обнаружил, что авторы, которые не смогли найти S. roeselii, использовали другой вид для повторения эксперимента Дженнингса - Stentor coeruleus, который предпочитает плавать, а не прикрепляться к корму.
Неудивительно, что им не удалось воспроизвести результаты, подумал Гунавардена. Он увлекся попыткой точно воспроизвести эксперимент Дженнингса. Но как математик, по образованию руководивший лабораторией медицинской школы, занимающейся обработкой молекулярной информации, ему было трудно убедить других.
«Я продолжал поднимать эту идею на собрании моей лабораторной группы, говоря, что она говорит нам кое-что о возможностях одиночных клеток. Мы больше не думаем так о том, как работают клетки», - сказал он. «И неудивительно, что это никого не интересовало. Это древняя история, это описательная биология - все то, к чему не прикоснутся молодые, способные ученики».
Но он упорствовал. Один из его постдокторантов, Судхакаран Прабакаран, ныне руководитель группы в Кембриджском университете в Англии, заинтересовался. И около восьми лет назад Джозеф Декстер, студент-стажер, который позже стал аспирантом Гунавардены, а сейчас работает научным сотрудником в Институте вычислительных наук Neukom в Дартмуте, также увлекся этой идеей..
Движимые только неудержимым чувством любопытства и истории, без официальной грантовой поддержки, эти трое занялись многолетним побочным проектом.
«Это был совершенно неформальный проект, отвратительный проект», - сказал Гунавардена. «Это не было чьей-либо основной работой».
Декстер и Прабакаран разработали и провели эксперименты, и их первой задачей было найти S. roeselii. Охотились везде, даже искали в местных водоемах. В конце концов они нашли поставщика в Англии, который взял организмы из пруда на поле для гольфа и переправил их через Атлантику..
Экспериментальная группа установила экспериментальный аппарат, оснащенный видеомикроскопом и системой микропозиционирования, чтобы точно доставить раздражитель ко рту испытуемых S. roeselii. Первоначально они использовали порошок кармина, но не получили особого отклика, и путем проб и ошибок обнаружили, что микроскопические пластиковые шарики эффективны.
Скрытые в математике
К их удовольствию, троица преуспела в выявлении и воспроизведении всего поведения, которое когда-то описал Дженнингс.
Однако они не увидели четкой, упорядоченной иерархии поведения, которую задокументировал Дженнингс. Скорее, среди испытуемых наблюдались значительные различия: один экземпляр мог изгибать и изменять свои реснички перед сокращением, другой мог сокращаться только многократно, а третий изгибался и сокращался попеременно.
Итак, все трое вернулись к своему основному опыту в качестве количественных биологов. Они разработали метод кодирования различных видов поведения, которые они видели, в серию символов, а затем использовали статистический анализ для поиска закономерностей.
Там, где наблюдение не помогло, победила математика. Как показал анализ, действительно существовала поведенческая иерархия. Столкнувшись с раздражителем, S. roeselii в большинстве случаев начинает сгибать и изменять свои реснички, часто одновременно. Если раздражение продолжается, он сожмется или оторвется и уплывет. Последнее поведение почти всегда происходит после первого, и организмы никогда не отделяются без предварительного сокращения, что указывает на предпочтительный порядок действий.
"Сначала они делают простые вещи, но если вы продолжаете стимулировать, они "решают" попробовать что-то еще. У S. roeselii нет мозга, но, похоже, есть какой-то механизм, который, по сути, позволяет ему ' изменить свое мнение, как только почувствует, что раздражение длится слишком долго», - сказал Гунавардена.
«Эта иерархия дает четкое представление о некоторой форме относительно сложного расчета принятия решений, происходящего внутри организма, взвешивая, лучше ли выполнять одно поведение по сравнению с другим», - сказал он..
Честное подбрасывание монеты
Успешно повторив эксперимент Дженнингса и пролив свет на новые количественные наблюдения о поведенческих возможностях S. roeselii, команда надеется, что они разрешили историческую путаницу в отношении точности его результатов.
Но теперь результаты вызывают множество новых вопросов.
Анализ показал, что вероятность того, что любая особь S. roeselii решит сжаться или отделиться, почти равна нулю, и эта подсказка особенно волнует ученых, изучающих, как клетки обрабатывают информацию на молекулярном уровне. По словам авторов, выбор между двумя видами поведения является последовательным, и каждый организм независимо подбрасывает беспристрастную монету, независимо от предыдущих действий.
«Это каким-то образом основывает свои решения на молекулярном уровне на справедливом подбрасывании монеты», - сказал Гунавардена. «Я не могу придумать ни одного известного механизма, который позволил бы им реализовать это. Это невероятно увлекательно, и Дженнингс никогда не наблюдал этого, потому что нам нужны были количественные измерения, чтобы выявить это».
В более широком смысле, говорят авторы, наблюдение о том, что отдельные клетки способны к сложному поведению, может дать информацию другим областям биологии.
В биологии развития или исследованиях рака, например, процессы, которым подвергаются клетки, часто называют программами, сказал Гунавардена, предполагая, что клетки «запрограммированы» делать то, что они делают. «Но клетки существуют в очень сложной экосистеме, и они в некотором роде разговаривают и договариваются друг с другом, реагируя на сигналы и принимая решения».
«Я думаю, что этот эксперимент заставляет нас задуматься о существовании, весьма умозрительно, некой формы клеточного «познания», в которой отдельные клетки могут быть способны к сложной обработке информации и принятию ответных решений», - он продолжение.«Вся жизнь имеет одну и ту же основу, и наши результаты дают нам по крайней мере одно доказательство того, почему мы должны расширять наши взгляды, чтобы включить этот тип мышления в современные исследования в области биологии».
«Это также показывает, как иногда мы склонны игнорировать вещи не потому, что они не существуют, а потому, что мы не считаем важным смотреть на них», - добавил он. «Я думаю, именно это делает это исследование таким интересным».
В рамках обучения в аспирантуре Джозеф Декстер получил поддержку от Национальной научной стипендии выпускников (DGE1144152).