单细胞生物被证实具备“高智商”行为!搁置百年的生物学大发现终于确认

科学
单细胞生物被证实具备“高智商”行为!搁置百年的生物学大发现终于确认
麻省理工科技评论 2019-12-08

2019-12-08

一项最新研究表明,这些单细胞生物的能力可能远远超出它们的远亲人类的想象。
技术 生物
一项最新研究表明,这些单细胞生物的能力可能远远超出它们的远亲人类的想象。

曾经,单细胞生命独霸地球。

在大约 30 亿年的时间长河里,一代代单细胞生物只在彼此之间进食、生长和繁殖,在地球上的每个生态位上形成复杂而动态的生态系统。直到大约 6 亿年前,一些单细胞生物才跨越了多细胞生物的界限。

在今天,单细胞生物是原始和简单的代名词。然而,一项最新研究表明,这些单细胞生物的能力可能远远超出它们的远亲人类的想象。

哈佛医学院的系统生物学家通过重复一个多世纪前进行的一项实验,现在拿出了令人信服的证据,证明至少一种名为 Stentor roeselii 的单细胞生物,具有复杂多样的行为策略。

研究人员表示,反复暴露在相同的刺激下,机体实际上可以就如何应对 “改变主意”,这表明它们有能力做出相对复杂的决策过程。研究结果在线发表在 12 月 5 日的《当代生物学》(Current Biology) 上。

单细胞生物竟具备“高智商”行为!搁置百年的生物学大发现被证实

图 | S. roeselii 在收缩(来源:Bill Porter/Harvard Medical School)

“我们的发现表明,单个细胞比我们通常认为的要复杂得多,”本次研究作者、哈佛大学布拉瓦特尼克研究所 (Blavatnik Institute at HMS) 系统生物学副教授 Jeremy Gunawardena 说,而这种复杂性在进化上是有道理的。

“像 S. roeselii 这样的生物在多细胞生物出现之前,就是食物链顶端的食肉动物,它们在许多不同的水生环境中分布极为广泛。它们必须聪明地弄清楚应该避免什么,在哪里吃,以及生物体为了生存必须做的所有其他事情。我认为很明显,他们可以用复杂的方法来做到这一点。”Gunawardena 说。

时隔一个世纪的实验

100 多年前,一位名叫 Herbert Spencer Jennings 的美国著名动物学家描述了一种名叫Stentor roeseli 的单细胞淡水原生生物复杂多样的回避行为。但是后来相关的实验未能重现他所看到的景象,他的说法便遭到质疑并被搁置一边。

10 年前,在英国生物学家 Dennis Bray 的一次演讲中,Herbert Spencer Jennings 在 1906 年发表的著作《低等生物的行为》中有一个特别的实验引起了 Gunawardena 的注意。

Jennings 当时正在研究广泛分布的淡水原生生物 S. roeselii。这些单细胞生物以其相对较大的体积和独特的喇叭状身体而著称。在这种生物的表面和喇叭 “钟” 上布满了被称为纤毛的毛发状突起,能够用来游动,并在周围的液体中产生漩涡,把食物扫进它们的“嘴里”。在它们身体的另一端,它们藏匿着一个抓握器,这个抓握器把它们与周围固定在一起,使它们在进食时保持静止。

单细胞生物竟具备“高智商”行为!搁置百年的生物学大发现被证实

图 | S. roeselii(来源:Current Biology)

Jennings 用显微镜、移液管和稳定的抓手仔细记录了 S. roeselii 在接触环境刺激物(一些粉末)时的行为。Jennings 观察到一系列有序的行为,通常情况下,S. roeselii 会反复弯曲身体以避免粉末,如果刺激持续,它会逆转纤毛的运动,用嘴巴将这些粉末驱逐。如果这个方法也失败了,它就会收缩,迅速地把自己拉紧,像一些无脊椎动物缩回壳里一样。最后,如果之前所有的努力都失败了,S. roeselii 就会挣脱束缚,快速游走。

这些行为构成了一个有序的策略,单细胞生物根据优先级不断改变应对方式。这一观察结果表明,这种单核细胞生物,具有一些已知的最复杂的行为。

这个实验引起了广泛的兴趣,但随后的重复试验,尤其是 1967 年发表的一项研究,都没有成功。这也导致 Jennings 的发现在很大程度上遭到现代科学的质疑和遗忘。

大获成功的 “兼职” 项目

就像原本生活在一个完全适宜居住的水坑里的生物一样,突然出现的粉末刺激让 Gunawardena 感到不太舒服,于是他决定追踪 1967 年的那项研究。

结果令他惊讶的是,他发现那些后来重复 Jennings 实验的研究者,由于无法找到 S. roeselii,便使用了另一种不同的物种 Stentor couleus,而这种单细胞生物它更喜欢四处漂浮,而不是主动吸附食物。

Gunawardena 认为,他们没能重现实验结果也就不足为奇了。于是,他试图准确地复制 Jennings 当年的实验。但作为管理着一所专注于分子信息处理医学实验室的数学家,他发现很难说服身边人。

“我一直在我的实验室小组会议上提出这个想法,说它告诉我们一些关于单细胞的能力。我们不再以这种方式思考细胞是如何工作的,不出所料,没有人感兴趣。这是古老的历史,这是描述性的生物学,所有这些年轻、聪明的学生都不愿接触的东西。”Gunawardena 说。

大约八年前,一名本科实习生 Joseph Dexter 也被这个想法所吸引,后来他成为 Gunawardena 的博士生,现在是英国达特茅斯大学 Neukom 计算科学研究所的研究员。Gunawardena 的坚持,最终让 Dexter 的同事、现为英国剑桥大学研究组组长的 Sudhakaran Prabakaran 对这一发现也产生了兴趣。

由于无法抑制的好奇心和历史感,在没有正式资助的情况下,他们三人开始了一个历时数年的副业项目。

Dexter 和 Prabakaran 设计并进行了实验,他们的第一个挑战是找到 S. roeselii。他们到处寻找,甚至跑到当地的池塘里搜寻。最终,他们在英国找到了一家供应商,这家供应商从一个高尔夫球场的池塘采购生物,然后把它们运到大西洋对岸。

研究小组建立了一个实验装置,装备了视频显微镜和微定位系统,以准确地传送刺激物到 S. roeselii 的 “嘴巴” 附近。他们最初使用胭脂红粉,但几乎没有反应,经过反复试验,发现微型塑料珠是有效的。

令他们高兴的是,这三人成功地再现了 Jennings 百年前曾经描述过的所有行为。

但是,他们并没有看到 Jennings 所记录的熟练有序的行为层次。相反,这些实验对象之间似乎存在着相当大的差异,一个样本在收缩前可能会弯曲和改变其纤毛,另一个样本可能只会反复收缩,而另一个则会交替弯曲和收缩。

为了进一步探究现象背后的原因,这三个人依靠他们作为定量生物学家的核心专业知识,开发了一种方法,将他们看到的不同行为编码成一系列符号,然后使用统计分析来寻找规律。

肉眼观察的失败,却意外通过这三个人的数学知识获得了发现,分析显示,这些单细胞生物确实存在一个行为递进策略。当面对刺激物时,S. roeselii 通常会同时弯曲和改变它的纤毛。如果刺激持续,它就会收缩或挣脱,然后游走。后一种行为几乎总是发生在前一种行为之后,而且这些生物在没有首先收缩的情况下从不挣脱,这表明了存在一种优先级的行为顺序。

单细胞生物竟具备“高智商”行为!搁置百年的生物学大发现被证实

图 | 面对刺激物,S. roeselii 首先会弯下身子,改变纤毛的跳动,将微粒用口腔驱逐(来源:Dexter et al, 2019)

单细胞生物竟具备“高智商”行为!搁置百年的生物学大发现被证实

图 | 如果弯曲和纤毛改变不够,S. roeselii 将收缩,挣脱和游走(来源:Dexter et al, 2019)

“它们先做简单的事情,但如果你继续刺激,它们 “决定” 尝试其他事情。S. roeselii 没有大脑,但似乎有某种机制,实际上,一旦感觉刺激持续太久就会让它‘改变主意’。”Gunawardena 说,“这种层次结构给人一种形象的感觉,让人感觉这个单细胞生物内部正在进行某种相对复杂的决策计算,权衡执行一种行为与执行另一种行为哪个更好。”

新的发现

通过成功地重复 Jennings 的实验,并对 S. roeselii 的行为能力进行新的定量观察,研究小组希望它已经解决了历史上关于 Jennings 发现的准确性的困惑。

但现在的结果引发了许多新的问题。

分析表明,对于一个个体 S. roeselii 来说选择收缩或分离,几乎有一个完全相等的概率。对于研究细胞如何在分子水平上处理信息的科学家来说,这是一条特别诱人的线索。

研究人员表示,这两种行为之间的决定是一致的,每个生物体独立地抛一枚无偏的硬币,而不考虑之前的行为。

“某种程度上,是基于它的决定,在分子水平上基于公平的抛硬币,我想不出任何已知的机制可以让他们实现这一点。这是令人难以置信的迷人之处,Jennings 从未观察到过,是因为需要定量测量来揭示它。”Gunawardena 说。

观察到单个细胞能够做出复杂的行为,同样对于生物学的其他领域具有重要价值。例如,在发育生物学或癌症研究中,细胞所经历的过程通常被称为程序,Gunawardena 表示,这表明细胞被 “编程” 去做它们所做的事情。“但是存在于一个非常复杂的生态系统中的细胞,它们在某种程度上彼此交流和协商,对信号做出反应并做出决定。”

Gunawardena 认为,这个实验迫使我们去思考,某种形式的细胞 “认知” 的存在,在这种认知中,单个细胞能够处理复杂的信息并做出相应的决策。所有生命都有相同的基础,最新研究结果至少为我们提供了一个证据,说明为什么我们应该拓宽视野,把这种思维纳入现代生物学研究。

“这也说明,有时候我们往往会忽视一些事情,不是因为它们不存在,而是因为我们认为没有必要去关注它们。我认为这就是这项研究如此有趣的原因。”Gunawardena 说。

麻省理工科技评论

From Tech to Deeptech