單細胞生物竟具備“高智商”行為！擱置百年的生物學大發現被證實

曾經，單細胞生命獨霸地球。

在大約 30 億年的時候長河里，一代代單細胞生物只在彼此之間進食、發展和滋生，在地球上的每個生態位上形當作復雜而動態的生態系統。直到大約 6 億年前，一些單細胞生物才跨越了多細胞生物的邊界。

在今天，單細胞生物是原始和簡單的代名詞。然而，一項最新研究表白，這些單細胞生物的能力可能遠遠超出它們的遠親人類的想象。

哈佛醫學院的系統生物學家經由過程反復一個多宿世紀進步行的一項嘗試，此刻拿出了令人信服的證據，證實至少一種名為 Stentor roeselii 的單細胞生物，具有復雜多樣的行為策略。

研究人員暗示，頻頻表露在不異的刺激下，機體現實上可以就若何應對 “改變本家兒意”，這表白它們有能力做出相對復雜的決議計劃過程。研究成果在線頒發在 12 月 5 日的《今世生物學》(Current Biology) 上。

圖 | S. roeselii 在縮短（來歷：Bill Porter/Harvard Medical School）

“我們的發現表白，單個細胞比我們凡是認為的要復雜得多，”本次研究作者、哈佛大學布拉瓦特尼克研究所 (Blavatnik Institute at HMS) 系統生物學副傳授 Jeremy Gunawardena 說，而這種復雜性在進化上是有事理的。

“像 S. roeselii 這樣的生物在多細胞生物呈現之前，就是食物鏈頂端的食肉動物，它們在很多分歧的水生情況平分布極為普遍。它們必需伶俐地弄清晰應該避免什么，在哪里吃，以及生物體為了保存必需做的所有其他工作。我認為很較著，他們可以用復雜的方式來做到這一點。”Gunawardena 說。

時隔一個宿世紀的嘗試

100 多年前，一位名叫 Herbert Spencer Jennings 的美國聞名動物學家描述了一種名叫Stentor roeseli 的單細胞淡水原生生物復雜多樣的回避行為。可是后來相關的嘗試未能重現他所看到的氣象，他的說法便遭到質疑并被棄捐一邊。

10 年前，在英國生物學家 Dennis Bray 的一次演講中，Herbert Spencer Jennings 在 1906 年頒發的著作《低等生物的行為》中有一個出格的嘗試引起了 Gunawardena 的注重。

Jennings 那時正在研究普遍分布的淡水原生生物 S. roeselii。這些單細胞生物以其相對較大的體積和怪異的喇叭狀身體而著稱。在這種生物的概況和喇叭 “鐘” 上布滿了被稱為纖毛的毛發狀突起，可以或許用來游動，并在四周的液體中發生漩渦，把食物掃進它們的“嘴里”。在它們身體的另一端，它們藏匿著一個抓握器，這個抓握器把它們與四周固定在一路，使它們在進食時連結靜止。

圖 | S. roeselii（來歷：Current Biology）

Jennings 用顯微鏡、移液管和不變的抓手細心記實了 S. roeselii 在接觸情況刺激物（一些粉末）時的行為。Jennings 不雅察到一系列有序的行為，凡是環境下，S. roeselii 會頻頻彎曲身體以避免粉末，若是刺激持續，它會逆轉纖毛的活動，用嘴巴將這些粉末擯除。若是這個方式也掉敗了，它就會縮短，敏捷地把本身拉緊，像一些無脊椎動物縮回殼里一樣。最后，若是之前所有的盡力都掉敗了，S. roeselii 就會擺脫束厄局促，快速游走。

這些行為組成了一個有序的策略，單細胞生物按照優先級不竭改變應對體例。這一不雅察成果表白，這種單核細胞生物，具有一些已知的最復雜的行為。

這個嘗試引起了普遍的樂趣，但隨后的反復試驗，尤其是 1967 年頒發的一項研究，都沒有當作功。這也導致 Jennings 的發此刻很大水平上遭到現代科學的質疑和遺忘。

大獲當作功的 “兼職” 項目

就像原本糊口在一個完全適宜棲身的水坑里的生物一樣，俄然呈現的粉末刺激讓 Gunawardena 感應不太舒暢，于是他決議追蹤 1967 年的那項研究。

成果令他驚奇的是，他發現那些后來反復 Jennings 嘗試的研究者，因為無法找到 S. roeselii，便利用了另一種分歧的物種 Stentor couleus，而這種單細胞生物它更喜好四處漂浮，而不是本家兒動吸附食物。

Gunawardena 認為，他們沒能重實際驗成果也就層見迭出了。于是，他試圖精確地復制 Jennings 昔時的嘗試。但作為辦理著一所專注于分子信息處置醫學嘗試室的數學家，他發現很難說服身邊人。

“我一向在我的嘗試室小組會議上提出這個設法，說它告訴我們一些關于單細胞的能力。我們不再以這種體例思慮細胞是若何工作的，不出所料，沒有人感樂趣。這是古老的汗青，這是描述性的生物學，所有這些年青、伶俐的學生都不肯接觸的工具。”Gunawardena 說。

大約八年前，一名本科練習生 Joseph Dexter 也被這個設法所吸引，后來他當作為 Gunawardena 的博士生，此刻是英國達特茅斯大學 Neukom 計較科學研究所的研究員。Gunawardena 的對峙，最終讓 Dexter 的同事、現為英國劍橋大學研究組組長的 Sudhakaran Prabakaran 對這一發現也發生了樂趣。

因為無法按捺的好奇心和汗青感，在沒有正式幫助的環境下，他們三人起頭了一個歷時數年的副業項目。

Dexter 和 Prabakaran 設計并進行了嘗試，他們的第一個挑戰是找到 S. roeselii。他們處處尋找，甚至跑到本地的水池里搜尋。最終，他們在英國找到了一家供給商，這家供給商從一個高爾夫球場的水池采購生物，然后把它們運到大西洋對岸。

研究小組成立了一個嘗試裝配，裝備了視頻顯微鏡和微定位系統，以精確地傳送刺激物到 S. roeselii 的 “嘴巴” 四周。他們最初利用胭脂紅粉，但幾乎沒有反映，顛末頻頻試驗，發現微型塑料珠是有用的。

令他們歡快的是，這三人當作功地再現了 Jennings 百年前曾經描述過的所有行為。

可是，他們并沒有看到 Jennings 所記實的諳練有序的行為條理。相反，這些嘗試對象之間似乎存在著半斤八兩大的差別，一個樣本在縮短前可能會彎曲和改變其纖毛，另一個樣本可能只會頻頻縮短，而另一個則會瓜代彎曲和縮短。

為了進一步探討現象背后的原因，這三小我依靠他們作為定量生物學家的焦點專業常識，開辟了一種方式，將他們看到的分歧行為編碼當作一系列符號，然后利用統計闡發來尋找紀律。

肉眼不雅察的掉敗，卻不測經由過程這三小我的數學常識獲得了發現，闡發顯示，這些單細胞生物確實存在一個行為遞進策略。當面臨刺激物時，S. roeselii 凡是會同時彎曲和改變它的纖毛。若是刺激持續，它就會縮短或擺脫，然后游走。后一種行為幾乎老是發生在前一種行為之后，并且這些生物在沒有起首縮短的環境下從不擺脫，這表白了存在一種優先級的行為挨次。

圖 | 面臨刺激物，S. roeselii 起首會彎下身子，改變纖毛的跳動，將微粒用口腔擯除（來歷：Dexter et al, 2019）

圖 | 若是彎曲和纖毛改變不敷，S. roeselii 將縮短，擺脫和游走（來歷：Dexter et al, 2019）

“它們先做簡單的工作，但若是您繼續刺激，它們 “決議” 測驗考試其他工作。S. roeselii 沒有大腦，但似乎有某種機制，現實上，一旦感受刺激持續太久就會讓它‘改變本家兒意’。”Gunawardena 說，“這種條理布局給人一種形象的感受，讓人感受這個單細胞生物內部正在進行某種相對復雜的決議計劃計較，衡量執行一種行為與執行另一種行為哪個更好。”

新的發現

經由過程當作功地反復 Jennings 的嘗試，并對 S. roeselii 的行為能力進行新的定量不雅察，研究小組但愿它已經解決了汗青上關于 Jennings 發現的精確性的猜疑。

但此刻的成果激發了很多新的問題。

闡發表白，對于一個個別 S. roeselii 來說選擇縮短或分手，幾乎有一個完全相等的概率。對于研究細胞若何在分子程度上處置信息的科學家來說，這是一條出格誘人的線索。

研究人員暗示，這兩種行為之間的決議是一致的，每個生物體自力地拋一枚無偏的硬幣，而不考慮之前的行為。

“某種水平上，是基于它的決議，在分子程度上基于公允的拋硬幣，我想不出任何已知的機制可以讓他們實現這一點。這是令人難以置信的迷人之處，Jennings 從未不雅察到過，是因為需要定量測量來揭示它。”Gunawardena 說。

不雅察到單個細胞可以或許做出復雜的行為，同樣對于生物學的其他范疇具有主要價值。例如，在發育生物學或癌癥研究中，細胞所履歷的過程凡是被稱為程序，Gunawardena 暗示，這表白細胞被 “編程” 去做它們所做的工作。“可是存在于一個很是復雜的生態系統中的細胞，它們在某種水平上彼此交流和協商，對旌旗燈號做出反映并做出決議。”

Gunawardena 認為，這個嘗試迫使我們去思慮，某種形式的細胞 “認知” 的存在，在這種認知中，單個細胞可以或許處置復雜的信息并做出響應的決議計劃。所有生命都有不異的根本，最新研究成果至少為我們供給了一個證據，申明為什么我們應該拓寬視野，把這種思維納入現代生物學研究。

“這也申明，有時辰我們往往會輕忽一些工作，不是因為它們不存在，而是因為我們認為沒有需要去存眷它們。我認為這就是這項研究如斯有趣的原因。”Gunawardena 說。