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单细胞生物被证明具有高智商行为放置百年的生物学大发现总算承认

2019-12-08 19:35:20

从前,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互相之间进食、成长和繁衍,在地球上的每个生态位上构成杂乱而动态的生态体系。直到大约 6 亿年前,一些单细胞生物才跨过了多细胞生物的边界。

在今日,单细胞生物是原始和简略的代名词。可是,一项最新研讨标明,这些单细胞生物的才能或许远远超出它们的远亲人类的幻想。

哈佛医学院的体系生物学家经过重复一个多世纪前进行的一项试验,现在拿出了令人信服的依据,证明至少一种名为Stentor roeselii的单细胞生物,具有杂乱多样的行为战略

研讨人员标明,重复暴露在相同的影响下,机体实际上可以就怎么应对 “改动主见”,这标明它们有才能做出相对杂乱的决议计划进程。研讨成果在线宣布在 12 月 5 日的《今世生物学》(Current Biology) 上。

图 |S. roeselii在缩短(来历:Bill Porter/Harvard Medical School)

“咱们的发现标明,单个细胞比咱们一般以为的要杂乱得多,”本次研讨作者、哈佛大学布拉瓦特尼克研讨所 (Blavatnik Institute at HMS) 体系生物学副教授 Jeremy Gunawardena 说,而这种杂乱性在进化上是有道理的。

“像S. roeselii这样的生物在多细胞生物呈现之前,便是食物链顶端的食肉动物,它们在许多不同的水生环境中散布极为广泛。它们有必要聪明地弄清楚应该防止什么,在哪里吃,以及生物体为了生计有必要做的一切其他作业。我以为很明显,他们可以用杂乱的办法来做到这一点。”Gunawardena 说。

时隔一个世纪的试验

100 多年前,一位名叫 Herbert Spencer Jennings 的美国闻名动物学家描绘了一种名叫Stentor roeseli的单细胞淡水原生生物杂乱多样的回避行为。可是后来相关的试验未能重现他所看到的现象,他的说法便遭到质疑并被放置一边。

10 年前,在英国生物学家 Dennis Bray 的一次讲演中,Herbert Spencer Jennings 在 1906 年宣布的作品《低等生物的行为》中有一个特别的试验引起了 Gunawardena 的留意。

Jennings 其时正在研讨广泛散布的淡水原生生物S. roeselii。这些单细胞生物以其相对较大的体积和共同的喇叭状身体而著称。在这种生物的外表和喇叭 “钟” 上布满了被称为纤毛的毛发状突起,可以用来游动,并在周围的液体中发作漩涡,把食物扫进它们的“嘴里”。在它们身体的另一端,它们躲藏着一个抓握器,这个抓握器把它们与周围固定在一起,使它们在进食时坚持停止。

图 |S. roeselii(来历:Current Biology)

Jennings 用显微镜、移液管和安稳的抓手细心记载了S. roeselii在触摸环境影响物(一些粉末)时的行为。Jennings 调查到一系列有序的行为,一般情况下,S. roeselii会重复曲折身体以防止粉末,假如影响继续,它会反转纤毛的运动,用嘴巴将这些粉末驱赶。假如这个办法也失利了,它就会缩短,迅速地把自己拉紧,像一些无脊椎动物缩回壳里相同。终究,假如之前一切的尽力都失利了,S. roeselii就会挣脱捆绑,快速游走。

这些行为构成了一个有序的战略,单细胞生物依据优先级不断改动应对办法。这一调查成果标明,这种单核细胞生物,具有一些已知的最杂乱的行为。

这个试验引起了广泛的爱好,但随后的重复试验,尤其是 1967 年宣布的一项研讨,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忘记。

大获成功的 “兼职” 项目

就像本来生活在一个彻底适合寓居的水坑里的生物相同,忽然呈现的粉末影响让 Gunawardena 感到不太舒畅,所以他决议追寻 1967 年的那项研讨。

成果令他惊奇的是,他发现那些后来重复 Jennings 试验的研讨者,由于无法找到S. roeselii,便运用了另一种不同的物种Stentor couleus,而这种单细胞生物它更喜爱四处漂浮,而不是自动吸附食物。

Gunawardena 以为,他们没能重现试验成果也就家常便饭了。所以,他企图精确地仿制 Jennings 当年的试验。但作为办理着一所专心于分子信息处理医学试验室的数学家,他发现很难压服身边人。

“我一直在我的试验室小组会议上提出这个主见,说它告知咱们一些关于单细胞的才能。咱们不再以这种办法考虑细胞是怎么作业的,果然如此,没有人感爱好。这是陈旧的前史,这是描绘性的生物学,一切这些年青、聪明的学生都不肯触摸的东西。”Gunawardena 说。

大约八年前,一名本科实习生 Joseph Dexter 也被这个主见所招引,后来他成为 Gunawardena 的博士生,现在是英国达特茅斯大学 Neukom 核算科学研讨所的研讨员。Gunawardena 的坚持,终究让 Dexter 的搭档、现为英国剑桥大学研讨组组长的 Sudhakaran Prabakaran 对这一发现也发作了爱好。

由于无法按捺的好奇心和前史感,在没有正式赞助的情况下,他们三人开端了一个历时数年的副业项目。

Dexter 和 Prabakaran 规划并进行了试验,他们的第一个应战是找到S. roeselii。他们处处寻觅,乃至跑到当地的池塘里搜索。终究,他们在英国找到了一家供货商,这家供货商从一个高尔夫球场的池塘收购生物,然后把它们运到大西洋彼岸。

研讨小组建立了一个试验设备,配备了视频显微镜和微定位体系,以精确地传送影响物到S. roeselii的 “嘴巴” 邻近。他们开始运用胭脂红粉,但基本上没有反响,经过重复试验,发现微型塑料珠是有用的。

令他们快乐的是,这三人成功地再现了 Jennings 百年前从前描绘过的一切行为。

可是,他们并没有看到 Jennings 所记载的娴熟有序的行为层次。相反,这些试验目标之间好像存在着相当大的差异,一个样本在缩短前或许会曲折和改动其纤毛,另一个样本或许只会重复缩短,而另一个则会替换曲折和缩短。

为了进一步探求现象背面的原因,这三个人依托他们作为定量生物学家的中心专业相关常识,开发了一种办法,将他们看到的不同行为编码成一系列符号,然后运用统计剖析来寻觅规则。

肉眼调查的失利,却意外经过这三个人的数学常识获得了发现,剖析显现,这些单细胞生物的确存在一个行为递进战略。当面临影响物时,S. roeselii一般会一起曲折和改动它的纤毛。假如影响继续,它就会缩短或挣脱,然后游走。后一种行为简直总是发作在前一种行为之后,并且这些生物在没有首要缩短的情况下从不挣脱,这标明了存在一种优先级的行为次序。

图 | 面临影响物,S. roeselii首要会弯下身子,改动纤毛的跳动,将微粒用口腔驱赶(来历:Dexter et al, 2019)

图 | 假如曲折和纤毛改动不行,S. roeselii将缩短,挣脱和游走(来历:Dexter et al, 2019)

“它们先做简略的作业,但假如你继续影响,它们 “决议” 测验其他作业。S. roeselii没有大脑,但好像有某种机制,实际上,一旦感觉影响继续太久就会让它‘改动主见’。”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杂乱的决议计划核算,权衡履行一种行为与履行另一种行为哪个更好。”

新的发现

经过成功地重复 Jennings 的试验,并对S. roeselii的行为才能进行新的定量调查,研讨小组期望它现已处理了前史上关于 Jennings 发现的精确性的困惑。

但现在的成果引发了许多新的问题。

剖析标明,关于一个个别S. roeselii来说挑选缩短或别离,简直有一个彻底持平的概率。关于研讨细胞怎么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头绪。

研讨人员标明,这两种行为之间的决议是共同的,每个生物体独登时抛一枚无偏的硬币,而不考虑之前的行为。

“某种程度上,是根据它的决议,在分子水平上根据公正的抛硬币,我想不出任何已知的机制可以让他们完成这一点。这是令人难以置信的诱人之处,Jennings 从未调查到过,是由于需求定量丈量来提醒它。”Gunawardena 说。

视频 |Stentor roeselii面临外界影响时的应对战略(来历:James Weiss/Harvard Medical School)

调查到单个细胞可以做出杂乱的行为,相同关于生物学的其他范畴具有重要价值。例如,在发育生物学或癌症研讨中,细胞所阅历的进程一般被称为程序,Gunawardena 标明,这标明细胞被 “编程” 去做它们所做的作业。“可是存在于一个非常杂乱的生态体系中的细胞,它们在某种程度上互相沟通和洽谈,对信号做出反响并做出决议。”

Gunawardena 以为,这个试验迫使咱们去考虑,某种方式的细胞 “认知” 的存在,在这种认知中,单个细胞可以处理杂乱的信息并做出相应的决议计划。一切生命都有相同的根底,最新研讨成果至少为咱们供给了一个依据,阐明为什么咱们该拓展视界,把这种思想归入现代生物学研讨。

“这也阐明,有时候咱们往往会忽视一些作业,不是由于它们不存在,而是由于咱们我们都以为没有必要去重视它们。我以为这便是这项研讨如此风趣的原因。”Gunawardena 说。

-End-

参阅:

Prabakaran S, Dexter J, Gunawardena J. A complex hierarchy of avoidance behaviours in a single-cell eukaryote[J]. 2019.

https://hms.harvard.edu/news/unexpected-depths

https://www.eurekalert.org/pub_releases/2019-12/cp-cas112619.php