細胞能做決定嗎?

一系列實驗驚人地表明,它可能真的能

A semi-transparent, horn-shaped blob.

喇叭蟲。

1906年,動物學家赫伯特·斯賓塞·詹寧斯出版了《低等生物的行為》這本書包含一個發人深省的觀點:微生物可以改變主意。

他的研究物件是一種佈滿纖毛的單細胞生物,名為喇叭蟲。這些喇叭狀的捕食者非常大,魚可以吃掉它們

而且人類肉眼可見,並且非常大膽,它們可以捕捉並吃掉輪蟲——真正的動物,擁有數百個細胞和一個簡單的大腦。在微生物的世界裡,喇叭蟲介於星際驅逐艦沙拉克之間。


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詹寧斯決定惹惱它,看看會發生什麼。當面對一股由他穩健的手精確瞄準其口部的刺激性胭脂紅粉末時,喇叭蟲首先會彎曲躲避,然後反轉其纖毛(稱為纖毛)的擺動以排出粉末,然後收縮,最後脫離。

他注意到,行為的順序會因不同的刺激物(他嘗試了其他化學物質)而略有不同,有時會省略一些步驟。“但仍然如此,”他寫道,“在逐漸干擾生物體正常活動的條件下,行為包括‘嘗試’連續不同的反應,直到找到一種能夠緩解痛苦的反應。”

簡而言之,喇叭蟲可以用一種行為應對刺激,如果刺激持續存在,則可以選擇代價更高的辦法。至少在短時間內(詹寧斯宣稱這在實驗上難以確定,且至今仍未解決),它可以“記住”它已經嘗試過一種解決方案但沒有成功,並選擇另一種方案。

但在1967年,來自另一個動物行為學派的科學家重複了他的實驗,但未能產生相同的結果。就這樣,詹寧斯的發現被扔進了垃圾堆。

大約在10年前,哈佛醫學院系統生物學副教授傑里米·古納瓦德納發現了這個實驗及其被否定,並認為它值得重新審視。令他驚訝的是,他發現1967年的團隊沒有使用正確的喇叭蟲物種(行為學家認為變異來自環境而不是基因,他們可能覺得物種並不重要)。他們選擇的物種是Stentor coeruleus,它非常喜歡游泳,這與詹寧斯的Stentor roeselii不同,後者更喜歡在池邊休閒。

古納瓦德納對複製該實驗可能會揭示單細胞生物的能力感到著迷。在實驗室會議上徒勞地提出了這個想法多年之後,他找到了本科生約瑟夫·德克斯特和博士後蘇達卡蘭·普拉巴卡蘭,他們願意在晚上和週末嘗試——而且沒有資金。

這一次,哈佛團隊設法在英國一個高爾夫球場池塘中找到了正確的物種,構建了自己的“喇叭蟲刺激裝置”(作為定量生物學家,他們缺乏詹寧斯極端的移液管技能),並發現了一些非凡的東西

在他們的裝置中,喇叭蟲對胭脂紅粉末的反應與詹寧斯描述的不同。然而,當面對21世紀塑膠微珠的衝擊時,單個Stentor roeseli的行為與詹寧斯的描述一致——而且在詹寧斯1906年沒有觀察到的一個非凡方面。

如果喇叭蟲真的可以“決定”,那麼它肯定不是纖毛蟲喇叭蟲所屬的毛茸茸的微生物群)中唯一與我們相似的生物。纖毛蟲就像一個巨大的單細胞動物一樣運作,這種相似性可能令人震驚。

例如,有些纖毛蟲將它們的纖毛捆綁成稱為纖毛束的結構,並可以用作腿、嘴、槳或牙齒。遊僕蟲可以在纖毛束上靈活地在表面滑行就像某種《第三類接觸》級別的水蚤。纖毛束由神經狀神經原纖維連線。如果神經原纖維被切斷,纖毛束就會變得無力。

有些纖毛蟲裝有微小的繫繩飛鏢,它們可以發射來攻擊獵物、嚇退捕食者或只是拋錨。另一些則長有觸手,可以捕捉食物。像海星一樣,纖毛蟲可以在一兩天內從令人震驚的小碎片中再生整個身體,前提是這些碎片既包含細胞的纖毛裝甲,又包含細胞的遺傳核心——細胞核。許多纖毛蟲以通常的方式透過一分為二來分裂,但一些有柄或固著的纖毛蟲透過特殊的產道將小的圓形幼蟲推入世界。

一種名為Diplodinium的纖毛蟲生活在牛和其他有蹄類動物的瘤胃中,這是一種已知會滋生各種奇怪事物的特殊環境,其中大約一半的質量可能是纖毛蟲(下次你看到一頭牛平靜地咀嚼食物時,想想這一點)。Diplodinium包含神經原纖維、纖毛束、肌肉狀橫紋收縮纖維(稱為肌絲)、由堆疊板組成的“脊柱”、嘴、在連線到其外部的環的幫助下收縮的食道和一個肛門。但請記住:單細胞生物。

簡而言之,纖毛蟲已將單細胞生物學發展到了地球上顯而易見的極限。一旦你理解了這一點,那麼它們內部有類似腦袋的東西就沒那麼牽強附會了。

2019年發表在Current Biology期刊上的這項新研究中,科學家們發現喇叭蟲確實會根據重複的微珠噴射來切換行為,並且操作順序通常與詹寧斯的描述一致。脫離總是先於收縮,數學分析顯示,纖毛交替或彎曲比收縮更有可能先出現。

關於他們的資料,還有一些有趣之處

,我鼓勵您親自檢查:看起來喇叭蟲確實有性格。有些反覆收縮和放鬆,或彎曲、收縮,然後放鬆,似乎願意容忍刺激——或冒險生活。這些是樂觀主義者。

有些收縮一次或幾次,就再也沒有放鬆過。另一些則收縮並脫離,僅此而已。這些是悲觀主義者(或者可能只是最近一次成功“送餐”的生物)。

有些喇叭蟲總是以一兩種首選行為做出反應,而從不以其他它們肯定也具有生物學能力的行動做出反應。一個不知疲倦的個體經受了13次微珠衝擊,始終如一地以纖毛交替或收縮做出反應,從不彎曲或脫離。

喇叭蟲是否擁有類似能動性的東西——一種做決定的能力?這項研究和詹寧斯的證據當然表明是這樣的。

還有一個最終的啟發性發現。該團隊的統計分析顯示,收縮或脫離之間的選擇與拋擲一枚均勻硬幣的機率一致。換句話說,這似乎完全是隨機的。

只有一個問題:沒有已知的細胞機制可以產生這種結果。這個令人費解的問題仍然既未被複制也未被解釋。

也許現在是時候放下我們對細胞能力的先入為主的觀念了,因為它們僅僅是細胞,而我們自己蘇聯式身體中的細胞相當於工蜂。狡猾、持槍、自由生活的細胞的能力很可能超出我們愚笨的靈長類動物的想象。

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