Одноклеточный организм без мозга оказался способен к условным рефлексам

Простой одноклеточный организм без мозга и нейронов оказался способен к сложной форме обучения.

Простейшая форма обучения, привыкание, заключается в постепенном ослаблении реакции на повторяющийся безвредный раздражитель — например, запах или звук. Это свойственно всем животным и даже наблюдается у растений. Более того, привыкание проявляли некоторые простейшие, состоящие хоть и из сложной эукариотической клетки — но одной-единственной. К ним относятся трубач (инфузория) Stentor coeruleus и слизевик Physarum polycephalum.

Гораздо труднее научиться связывать разные типы раздражителей или событий и прогнозировать, что одно влечет за собой другое. Такое ассоциативное обучение наиболее известно по опытам Ивана Павлова, который сочетал звонок с кормлением собак, в результате чего животные начинали выделять слюну, заслышав сигнал.

В Гарвардском университете провели серию сходных экспериментах по выработке условных рефлексов у одноклеточных, их результаты выложены препринтом на bioRxiv. Опыты показали, что Stentor, по-видимому, способен к павловскому обучению.

Эти удивительные организмы обитают в прудах и передвигаются с помощью рядов ресничек, напоминающих волоски, которые тянутся по бокам их тела. Достигая 2 мм в длину, они настоящие гиганты среди одноклеточных. На одном конце у них есть якорь — подошва (прикрепительный орган), с помощью которого они прилипают к поверхности, на другом — трубчатый ротовой аппарат.

«Прикрепившись, они просто питаются, отфильтровывая пищу. Если их потревожить, они мгновенно сжимаются в шарик. В таком состоянии они не могут питаться, поэтому с экологической точки зрения им невыгодно реагировать так слишком часто, только в случае крайней необходимости», — объясняет профессор Сэм Гершман, руководивший исследованием.

Как проходили эксперименты

Этой особенностью воспользовались, чтобы узнать, насколько сложному поведению может научиться Stentor. Экспериментаторы с силой ударяли по дну чашек Петри, где находились культуры из нескольких десятков инфузорий. В ответ поначалу большинство организмов быстро сокращалось, но по мере продолжения толчков реакции наблюдались все у меньшего числа особей.

На следующем этапе на культуры Stentor воздействовали слабым ударом (на который обычно реагирует сокращением меньшее число организмов), а через секунду наносили сильный удар. Пары ударов повторялись каждые 45 секунд — примерно столько времени требуется трубачам, чтобы снова расправиться после сокращения.

За 10 циклов такой процедуры вероятность сокращения организмов сразу после слабого удара сначала возрастала, а затем снижалась. «Мы увидели на графике всплеск: частота сокращений сначала идет вверх, а потом идет вниз. Если предъявлять только слабый удар сам по себе, такого не наблюдается», — отмечает Гершман.

Исследователи полагают, что Stentor связал слабый удар с последующим более сильным, что делает его первым протистом, у которого обнаружена способность к ассоциативному обучению.

«Это заставляет задуматься, способны ли, казалось бы, простые организмы на такие аспекты познания, которые мы обычно связываем с гораздо более сложными многоклеточными существами, обладающими мозгом», — говорит Гершман.

Это также указывает на древнее эволюционное происхождение ассоциативного обучения — за сотни миллионов лет до появления многоклеточных нервных систем, добавляет он. Следы этого, возможно, до сих пор проявляются в том, как наши нейроны, по-видимому, способны извлекать уроки из поступающих сигналов без модификации синапсов или построения связей между нейронами — хотя именно на этом, по общепринятой точке зрения, и основано большинство процессов обучения, объясняет профессор.

Возможное объяснение

«Поразительно, что одна-единственная клетка может делать такие сложные вещи, которые, как мы думали, требуют наличия мозга, нейронов и поведенческого обучения», — комментирует биофизик Шашанк Шекхар из Университета Эмори в Атланте, ранее показавший, что стенторы способны собираться в недолговечные группы для более эффективного питания.

По его мнению, к ассоциативному обучению могут быть способны и другие одноклеточные организмы: «Мне интуитивно кажется: если эта способность возникла однажды, она будет встречаться и у других».

Если организм обучается, значит, он должен каким-то образом хранить память. Как именно это происходит у Stentor, пока неизвестно, но Гершман подозревает, что в этом задействованы рецепторы, которые реагируют на прикосновение, открывая путь ионам кальция в клетку, что изменяет внутренний потенциал и заставляет простейших сокращаться. Возможно, при повторяющихся стимулах некоторые рецепторы каким-то образом модифицируются, выступая в роли молекулярного переключателя, который останавливает сокращение.