Слизь помнит, как её учили

Простейшие грибки могут учиться и вспоминать заученные действия. Память их недолгая, не более нескольких часов. Тем не менее, обнаружение памяти у одноклеточного – пусть и очень большого – организма поразительна.

Японские учёные под руководством Тэтсу Саигусы и Тосиюки Накагаки из Университета Хоккайдо изучали невероятно популярный в последнее время у «технарей» многоядерный слизистый миксомицет Physarum polycephalum. По сути, этот плазмодий – огромная клетка с множеством длинных запутанных между собой отростков, размеры которой могут превышать один метр.

Эта разновидность плесени живёт в тёмных местах, как единый организм, разрастаясь и двигаясь в поисках пищи – различных микроорганизмов. Ранее уже было показано, что это существо способно самостоятельно «изобретать» нетривиальные стратегии преодоления лабиринтов. Его также использовали для создания «гибридной» микросхемы, в которой часть функций выполняет живой организм.

Наличие множества ядер, плавающих в общей цитоплазме, позволяет делить эту грибницу, выращивая из неё новые «суперклетки». Именно это и сделали японцы. Сначала они вырастили в темноте могучий родительский организм в наполненном овсянкой корыте размером 25 на 35 сантиметров. Один из крупных отростков, превратившийся в подвижную половую клетку – миксамёбу, после этого был отсечён от родителя и пересажен на узкую, шириной всего 5 мм линейку, которая подсвечивалась инфракрасным излучением, которого, в отличие от видимого света, слизь не боится.

Отросток, который японцы в опубликованной в Physical Review Letters работе называют не иначе как амёбой, продолжил движение в том же направлении, в котором развивался, будучи частью родительского организма. ПЗС- (CCD-) камера каждые десять минут делала замеры положения переднего края амёбы, измеряя таким образом скорость её передвижения.

Скорость эта зависит от температуры, влажности и освещённости. Условия, которые выбрали японцы, были для неё почти идеальными – темнота, влажность 90% и температура +26 градусов по шкале Цельсия, и амёба двигалась со скоростью около 1,2 мм в час. При уменьшении влажности и температуры скорость роста падает, и именно эту реакцию Накагаки и его коллеги использовали, чтобы послать примитивному организму обучающий сигнал.

Процесс обучения состоял в следующем: три раза подряд с интервалом ровно один час температуру примерно на десять минут снижали на три градуса, уменьшая при этом и относительную влажность воздуха до 60%. Такого «ужесточения режима» оказалось достаточно, чтобы практически полностью остановить движение слизи – использовать энергию в таких некомфортных условиях было бы для неё сродни самоубийству.

Самое удивительное произошло ещё через час. Учёные не стали менять ни температуру, ни влажность, а слизь остановилась – точнее, снизила скорость локомоции.

В первый раз скорость упала почти вдвое, ещё через час – на 10–20%. Через три часа после последнего стимула снижение почти сравнялось по амплитуде со случайными флуктуациями, однако и здесь оно прослеживалось. Дело в том, что учёные многократно повторяли амёбные гонки в одних и тех же условиях, и число замедлений значимо превышало число случайных ускорений.

Ещё через час грибок, казалось, окончательно забыл уроки – никаких заметных изменений скорости его продвижения по линейке не происходило. Однако стоило ему напомнить изученное прежде – снова опустить температуру и влажность, как ровно через час после этого грибок опять замедлялся. Такая скрытая, не проявлявшаяся до напоминания память, сохранялась у слизи до 6 часов. Повторение стимула через семь и более часов после обучения не приводило к каким-либо изменениям в скорости распространения организма через час после напоминания.

Кстати, напоминающий стимул учёные повторяли не только в фазе – ровно через 4, 5 и 6 часов после последнего урока, но и в противофазе – через 4,5 и 5,5 часов. Результат оставался тем же – ещё через час слизь притормаживала.

Японцы поэкспериментировали и с другими интервалами между уроками – от полутора часов до получаса. Самый сильный эффект был отмечен для промежутка в 50 минут и час ровно. Исследовали учёные и зависимость от размеров организма. Лучше всего обучению поддавались самые маленькие грибки весом от 5 до 10 миллиграммов. Исследовать ещё меньшие организмы не получалось – от такого перепада температур и влажности, что им предлагался, они бы погибли.

Как заявили журналу Nature Джеймс Шапиро из Чикагского университета и Стивен Строгац из Корнелла, если результаты японской группы подтвердятся, способность Physarum polycephalum к обучению будет важным дополнением к списку «крутых штук», на которые этот организм способен.

Что касается происхождения этих удивительных для столь примитивного организма способностей, у японских учёных есть не только объяснение, но даже математическая модель. По их мнению, такое поведение может возникнуть в случае, если в сложной системе биохимических сигналов, которыми обмениваются элементы P. Polycephalum, происходят естественные колебания самых разных временных масштабов – связанные, например, со временем выделения того или иного вещества и его переносом от одного участка «суперклетки» к другому.

Обычно все эти циклы будут не согласованы по фазе, да и фаза каждого отдельного «маятника» будет флуктуировать. Тем не менее, «накачка» периодическим сигналом будет приводить к преимущественному сдвигу фазы к одному значению, считают японцы, по крайней мере, такая модель объясняет поведение слизи. К моменту, когда через час приходит новый стимул, все маятники с периодом в один час подходят с близкими фазами, и их единство новым стимулом лишь укрепляется. Маятники с другими периодами придут к новому стимулу с разными фазами, потому в их поведении второй стимул ничего не изменит.

Получается что-то вроде резонансной накачки, только не одного маятника, а большого их числа. Да и механизм этой накачки слега отличается от резонансного – вместо увеличения амплитуды одного маятника происходит согласование фазы большого их числа.

«Забывание» обеспечивают случайные флуктуации фазы, из-за которых согласованность фаз со временем теряется. В итоге модель качественно – количественно модель показывает значительно меньший отклик на стимулы – объясняет наблюдаемое поведение слизи. И это несмотря на то, что модель не учитывает взаимодействия между индивидуальными «маятниками», неизбежного для материальных процессов.

Наличие у Physarum polycephalum способностей учиться, забывать и даже вспоминать вроде бы уже забытое при напоминании не может не поражать. Обычно такие умения связывают с достаточно сложным мозгом. Хотя, возможно, удивляться не стоит. Ведь основным занятием нейронов является именно передача сигналов от одного к другому по сложным контурам головного мозга. Этих контуров великое множество, широк и спектр периодов этих маятников, а в наличии взаимодействия между ними сомневаться вовсе не приходится. Так что, возможно, принципиально человеческий мозг и многоядерная слизь не так и различаются.