曾經(jīng)有一次，單細胞生命占據(jù)了地球的唯一統(tǒng)治權。在大約30億年中，令人難以置信的單細胞生物世代彼此之間只能進食，生長和繁殖。它們演變成捕食者和獵物，在原始水域和土地上繁衍生息，并在地球上的每個生態(tài)位中形成了復雜而動態(tài)的生態(tài)系統(tǒng)。大約6億年前，有些人甚至跨入了多細胞性的門檻。

然而，今天，單細胞生物已成為原始和簡單等概念的同義詞。然而，新的研究表明，他們的能力可能超出其遠親的表親們的懷疑。

為了復制一個多世紀前進行的實驗，哈佛醫(yī)學院的系統(tǒng)生物學家現(xiàn)在提供了令人信服的證據(jù)，證實至少一種單細胞生物 —喇叭形的Stentor roeselii —表現(xiàn)出規(guī)避行為的層次結構。

這組作者說，這種生物反復受到相同刺激(在這種情況下是刺激性顆粒的脈沖)的作用，實際上可以“改變主意”如何應對，表明了相對復雜的決策過程的能力。

HMS Blavatnik研究所系統(tǒng)生物學副教授Jeremy Gunawardena說：“我們的發(fā)現(xiàn)表明，單細胞比我們通常認為的要復雜得多。”

研究人員說，這種復雜性具有進化意義。

他說：“像玫瑰氏鏈球菌這樣的生物是多細胞生命之前的先天性掠食者，它們在許多不同的水生環(huán)境中極為普遍。” “他們必須“聰明”地弄清應該避免的東西，在哪里吃飯以及有機體必須生存的所有其他東西。我認為很明顯，他們可以采取多種復雜的方式。

十年前，在英國生物學家丹尼斯·布雷(Dennis Bray)的一次演講中，古納瓦德納(Gunawardena)被介紹給美國著名動物學家赫伯特·斯賓塞·詹寧斯(Herbert Spencer Jennings)的工作，他于1906年發(fā)表了有影響力的著作《低等生物的行為》。一個特別的實驗引起了古納瓦德納的注意。

詹寧斯正在研究S. roeselii，這是一種廣泛的淡水生物學家。這些單細胞以其相對較大的尺寸和獨特的喇叭形體而著稱。它們的表面和喇叭形的“鐘形”襯有被稱為纖毛的毛狀突起，用于游泳并在周圍的液體中產(chǎn)生渦旋，從而將食物掃入其“口”。在他們身體的另一端，他們??分泌一種固持物，使它們附著在碎屑上，以在進食時保持靜止。

詹寧斯用顯微鏡，移液器和平穩(wěn)的手精心記錄了胭脂紅鏈球菌在暴露于胭脂粉形式的環(huán)境刺激物中時的行為。

詹寧斯觀察到一系列有序的行為。他指出，通常情況下，羅氏葡萄球菌會反復彎曲身體，以避開粉末。如果刺激持續(xù)存在，它將逆轉纖毛的運動，將顆粒從口腔中排出。如果這太失敗了，它就會收縮，像藤壺撤退到其外殼中一樣迅速將自己拉下它的固定器。最終，如果所有先前的努力都失敗了，羅氏鏈球菌將擺脫困境并游走。

這些行為形成了等級制度，即有機體根據(jù)排名的偏好對行動進行的升級。該觀察結果表明，它具有一些具有單個細胞核的單個細胞已知的最復雜的行為。

該實驗引起了廣泛的興趣，但隨后進行的復制實驗(尤其是1967年發(fā)表的一項研究)沒有成功。結果，詹寧斯的發(fā)現(xiàn)在很大程度上被現(xiàn)代科學所抹黑和遺忘。

Skunkworks項目

就像胭脂紅粉放在原本可以完美居住的水坑中一樣，這困擾了古納瓦德納，因此他追蹤了1967年的研究。令他驚訝的是，他發(fā)現(xiàn)未能找到羅氏鏈球菌的作者使用了另一種物種來復制詹寧斯的實驗-藍鰭蛇(Stentor coeruleus)，它更喜歡游泳而不是依賴飼料。

因此，居納瓦德納想不到，他們未能再現(xiàn)結果也就不足為奇了。他對準確地復制詹寧斯的實驗很著迷。但是，作為一名數(shù)學家，他受過訓練，在醫(yī)學院側重于分子信息處理的實驗室工作，因此很難說服他人。

他說：“我一直在實驗室小組會議上提出這個想法，說它告訴了我們有關單電池功能的一些信息。我們不再以這種方式考慮電池的工作原理。” “而且，毫不奇怪，沒有人對此感興趣。這是古老的歷史，是描述性生物學-所有年輕，聰明的受訓者都不會碰到的東西。”

但是他堅持。他的一名博士后研究員Sudhakaran Prabakaran現(xiàn)在是英國劍橋大學的小組負責人，對此產(chǎn)生了興趣。大約八年前，約瑟夫·德克斯特(Joseph Dexter)，一名本科生，后來成為古納瓦德納(Gunawardena)的博士學位。這個學生現(xiàn)在是達特茅斯的紐科姆計算科學研究所的研究員，他對此也很感興趣。

這三人僅出于一種不可抑制的好奇心和歷史感，沒有任何正式的贈款支持，因此進行了長達數(shù)年的附帶項目。

Gunawardena說：“這完全是書本上的臭鼬項目。” “這不是任何人的日常工作。”

德克斯特(Dexter)和普拉巴卡蘭(Prabakaran)設計并進行了實驗，他們的第一個挑戰(zhàn)是找到羅氏酵母。他們到處狩獵，甚至在當?shù)氐某靥林兴褜ぁＷ罱K，他們在英國找到了一家供應商，該供應商從高爾夫球場的池塘中采購了這些生物，并將其運送到整個大西洋。

該團隊建立了一個配備有視頻顯微鏡和微定位系統(tǒng)的實驗設備，以將刺激性物質準確地輸送到他們的玫瑰色葡萄球菌測試對象的嘴附近。他們最初使用胭脂紅粉，但反應不明顯，經(jīng)過反復試驗，發(fā)現(xiàn)微觀塑料珠是有效的。

潛伏在數(shù)學中

令他們高興的是，這三個人成功地引發(fā)并再現(xiàn)了詹寧斯曾經(jīng)描述的所有行為。

但是，他們沒有看到詹寧斯記錄的行為整齊有序的層次結構。相反，受試者之間似乎有很大的差異-一個標本可能在彎曲之前彎曲并改變其纖毛，但另一個可能僅反復收縮，而另一個可能交替彎曲和收縮。

因此，這三個人退回了他們作為定量生物學家的核心專業(yè)知識。他們開發(fā)了一種方法，可以將看到的不同行為編碼為一系列符號，然后使用統(tǒng)計分析來查找模式。

在觀察失敗的地方，數(shù)學取得了勝利。分析顯示，確實存在行為等級制度。當遇到刺激物時，玫瑰色葡萄球菌通常會同時彎曲和改變其纖毛，這在大多數(shù)情況下都是如此。如果刺激持續(xù)，它將收縮或分離并游走。后者的行為幾乎總是發(fā)生在前者之后，并且有機體在未首先收縮的情況下永遠不會分離，這表明它們的作用順序是優(yōu)先的。

“他們首先做簡單的事情，但是如果您不斷刺激，他們會'決定'嘗試其他事情。羅氏菌沒有大腦，但是似乎存在某種機制實際上使它'改變了主意'感覺這種刺激已經(jīng)持續(xù)太久了，”古納沃德娜說。

他說：“這種層次結構使生物體內發(fā)生了某種形式的相對復雜的決策計算，這很生動，可以權衡執(zhí)行一種行為相對于執(zhí)行另一種行為是否更好。”

公平拋硬幣

研究小組希望成功復制詹寧斯的實驗并闡明有關羅氏葡萄球菌行為能力的新的定量觀察結果，希望該研究小組解決了有關其發(fā)現(xiàn)準確性的歷史困惑。

但是現(xiàn)在的結果提出了許多新問題。

分析表明，任何玫瑰紅葡萄球菌幾乎都具有選擇收縮或分離的機會，這對研究細胞如何在分子水平上處理信息的科學家特別有吸引力。這組作者說，兩種行為之間的決定是一致的，每個生物都獨立翻轉無偏硬幣，而不管先前采取的行動如何。

Gunawardena說：“這是在分子水平上以合理的拋硬幣為基礎的決定。” “我想不出任何已知的機制可以使他們實現(xiàn)這一目標。它令人著迷，并且詹寧斯從未觀察到某些東西，因為我們需要定量測量才能揭示它。”

這組作者說，從更廣泛的角度來看，單細胞可能具有復雜行為的發(fā)現(xiàn)可能會為生物學的其他領域提供信息。

Gunawardena說，例如，在發(fā)育生物學或癌癥研究中，細胞通常經(jīng)歷的過程稱為程序，這表明細胞已被“編程”以完成其工作。“但是細胞存在于一個非常復雜的生態(tài)系統(tǒng)中，它們以某種方式彼此交談和談判，對信號做出反應并做出決定。”

他繼續(xù)說：“我認為這個實驗迫使我們思考某些形式的細胞'認知'的存在，其中單個細胞能夠進行復雜的信息處理和決策。” “所有生命都有相同的基礎，我們的研究結果至少為我們提供了一個證據(jù)，說明了為什么我們應該擴大視野，將這種思維納入現(xiàn)代生物學研究中。”

他補充說：“這也說明有時候，我們傾向于忽略事物的原因不是因為它們不存在，而是因為我們認為觀察它們并不重要。” “我認為這就是使這項研究如此有趣的原因。”