Исследования на слизистых плесени показывают, что она использует физические сигналы, чтобы решить, где расти, - пишет new.eurekalert.org со ссылкой на Advanced Materials.
Если бы у вас не было мозга, смогли бы вы понять, где находитесь, и ориентироваться в своем окружении? Благодаря новым исследованиям слизистых плесневых грибов, ответ может быть утвердительным. Ученые из Института Висса в Гарвардском университете и Центра открытий Аллена в Университете Тафтса обнаружили, что не имеющая мозга слизистая плесень под названием Physarum polycephalum использует свое тело для улавливания механических сигналов в окружающей среде и выполняет вычисления, подобные тому, что мы называем «мышлением». На основе этой информации она решает, в каком направлении развиваться. В отличие от предыдущих исследований с Physarum, эти результаты были получены без подачи в организм каких-либо пищевых или химических сигналов, влияющих на его поведение.
«Люди все больше интересуются Physarum, потому что у него нет мозга, но он по-прежнему может выполнять множество действий, которые мы связываем с мышлением, например, решение лабиринтов, изучение новых вещей и прогнозирование событий, - сказал первый автор Нироша Муруган - бывший член Центра открытий Аллена, ныне доцент Университета Алгомы в Онтарио (Канада). - Понимание того, как протоинтеллектуальная жизнь справляется с подобными вычислениями, дает нам больше понимания основ познания и поведения животных, включая наше собственное».
Слизневые плесени - это организмы, похожие на амеб, которые могут вырастать до нескольких футов в длину и помогают расщеплять разлагающиеся вещества в окружающей среде, такие как гниющие бревна, мульча и мертвые листья. Одно существо Physarum состоит из мембраны, содержащей множество клеточных ядер, плавающих в общей цитоплазме, создавая структуру, называемую синцитием. Physarum движется, перемещая свою водянистую цитоплазму назад и вперед по всей длине тела регулярными волнами - уникальный процесс, известный как челночный поток.
«В отношении большинства животных мы не можем видеть, что меняется внутри мозга, когда животное принимает решения. Physarum предлагает действительно захватывающую научную возможность, потому что мы можем наблюдать его решения о том, куда двигаться, в режиме реального времени, наблюдая, как меняется его поведение в потоке шаттла», - сказал Муруган. В то время как предыдущие исследования показали, что Physarum движется в ответ на химические вещества и свет, Муруган и ее команда хотели знать, может ли он принимать решения о том, куда двигаться, основываясь только на физических сигналах окружающей среды.
Исследователи поместили образцы Physarum в центр чашек Петри, покрытых полуэластичным агаровым гелем, и поместили один или три небольших стеклянных диска рядом друг с другом поверх геля с противоположных сторон каждой чашки. Затем они позволили организмам свободно расти в темноте в течение 24 часов и отслеживали характер их роста. В течение первых 12–14 часов Physarum рос наружу равномерно во всех направлениях; после этого, однако, образцы вытягивали длинную ветвь, которая росла прямо над поверхностью геля в направлении области трех дисков в 70% случаев. Примечательно, что Physarum решил расти в сторону большей массы без предварительного физического исследования местности, чтобы подтвердить, что там действительно находится более крупный объект.
Как он смог исследовать окрестности до того, как физически туда попал? Ученые были полны решимости выяснить это.
Исследователи экспериментировали с несколькими переменными, чтобы увидеть, как они влияют на решения Physarum о росте, и заметили кое-что необычное: когда они складывали одни и те же три диска друг на друга, организм, казалось, терял способность различать три диска и один диск. Он рос по направлению к обеим сторонам тарелки примерно с одинаковой скоростью, несмотря на то, что три сложенных друг на друга диска все еще имели большую массу. Ясно, что Physarum использовал не только массу, но и другой фактор, чтобы решить, где расти.
Чтобы разгадать недостающий фрагмент головоломки, ученые использовали компьютерное моделирование, чтобы изучить, как изменение массы дисков повлияет на величину напряжения (силы) и деформации, приложенной к полу - гибкий гель и прикрепленный растущий Физарум. Как они и ожидали, большие массы увеличивали степень деформации, но моделирование показало, что характер деформации, создаваемой массами, изменяется в зависимости от расположения дисков.
«Представьте, что вы едете по шоссе ночью и ищете город, в котором можно остановиться. Вы видите два разных варианта расположения света на горизонте: одну яркую точку и группу менее ярких точек. Группа более ярких точек освещает более широкую область, которая с большей вероятностью указывает на город, и вы направляетесь туда, - сказал соавтор Ричард Новак, доктор философии, ведущий инженер штата Висс. - Образцы света в этом примере аналогичны образцам механической деформации, создаваемой различным расположением массы в нашей модели. Наши эксперименты подтвердили, что Physarum может физически ощущать их и принимать решения, основываясь на образцах, а не просто на интенсивности сигнала».
Исследование команды показало, что это существо без мозга не просто росло к самому тяжелому, что могло ощутить - оно принимало расчетливое решение о том, где расти, на основе относительных моделей напряжения, которые оно обнаружило в своей среде.
Но как оно обнаруживало эти модели деформации? Ученые подозревали, что это связано со способностью Physarum ритмично сокращаться и тянуть свой субстрат, потому что пульсация и ощущение возникающих в результате изменений в деформации субстрата позволяют организму получать информацию о своем окружении. У других животных в клеточных мембранах есть специальные канальные белки, называемые TRP-подобными белками, которые обнаруживают растяжение. Один из этих белков TRP обеспечивает механочувствительность в клетках человека. Когда команда создала сильнодействующее лекарство, блокирующее каналы TRP, и применила его к Physarum, организм потерял способность различать высокую и низкую массу, выбирая только область высокой массы в 11% испытаний и выбирая как высокую, так и низкую в 71% исследований.
«Наше открытие использования этой слизистой плесени биомеханики для исследования окружающей среды и реакции на нее подчеркивает, насколько рано эта способность появилась у живых организмов и насколько тесно связаны интеллект, поведение и морфогенез. Другие исследования показали, что аналогичные стратегии используются клетками более сложных животных, включая нейроны, стволовые клетки и раковые клетки. Эта работа с Physarum предлагает новую модель для изучения способов, с помощью которых эволюция использует физику для реализации примитивного познания, которое управляет формой и функциями», - сказал автор-корреспондент Майк Левин, доктор философии, член-корреспондент факультета Висса, который также является председателем Ванневара Буша и является директором Центра открытий Аллена в Университете Тафтса.
Исследовательская группа продолжает свою работу над Physarum, в том числе выясняет, в какой момент времени он принимает решение переключить свою модель роста с обобщенного отбора проб окружающей среды на направленный рост по направлению к цели. Они также изучают, как другие физические факторы, такие как ускорение и перенос питательных веществ, могут повлиять на рост и поведение Physarum.
«Это исследование еще раз подтверждает, что механические силы
играют такую же важную роль в контроле поведения и развития
клеток, как химические вещества и гены, а процесс
механочувствительности, обнаруженный в этом простом организме,
удивительно похож на то, что наблюдается у всех видов, включая
людей, - сказал Ингбер. - Таким образом, более глубокое понимание
того, как организмы используют биомеханическую информацию для
принятия решений, поможет нам лучше понять наши собственные тела
и мозг и, возможно, даже даст представление о новых формах
вычислений, основанных на биоинспектировании».
[Фото: ru.123rf.com/profile_sinhyu/]
