单细胞生物竟具备“高智商”行为！搁置百年的生物学大发现被证实

曾经，单细胞生命独霸地球。

在大约 30 亿年的时候长河里，一代代单细胞生物只在彼此之间进食、发展和滋生，在地球上的每个生态位上形当作复杂而动态的生态系统。直到大约 6 亿年前，一些单细胞生物才跨越了多细胞生物的边界。

在今天，单细胞生物是原始和简单的代名词。然而，一项最新研究表白，这些单细胞生物的能力可能远远超出它们的远亲人类的想象。

哈佛医学院的系统生物学家经由过程反复一个多宿世纪进步行的一项尝试，此刻拿出了令人信服的证据，证实至少一种名为 Stentor roeselii 的单细胞生物，具有复杂多样的行为策略。

研究人员暗示，频频表露在不异的刺激下，机体现实上可以就若何应对 “改变本家儿意”，这表白它们有能力做出相对复杂的决议计划过程。研究成果在线颁发在 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）

“我们的发现表白，单个细胞比我们凡是认为的要复杂得多，”本次研究作者、哈佛大学布拉瓦特尼克研究所 (Blavatnik Institute at HMS) 系统生物学副传授 Jeremy Gunawardena 说，而这种复杂性在进化上是有事理的。

“像 S. roeselii 这样的生物在多细胞生物呈现之前，就是食物链顶端的食肉动物，它们在很多分歧的水生情况平分布极为普遍。它们必需伶俐地弄清晰应该避免什么，在哪里吃，以及生物体为了保存必需做的所有其他工作。我认为很较着，他们可以用复杂的方式来做到这一点。”Gunawardena 说。

时隔一个宿世纪的尝试

100 多年前，一位名叫 Herbert Spencer Jennings 的美国闻名动物学家描述了一种名叫Stentor roeseli 的单细胞淡水原生生物复杂多样的回避行为。可是后来相关的尝试未能重现他所看到的气象，他的说法便遭到质疑并被弃捐一边。

10 年前，在英国生物学家 Dennis Bray 的一次演讲中，Herbert Spencer Jennings 在 1906 年颁发的著作《低等生物的行为》中有一个出格的尝试引起了 Gunawardena 的注重。

Jennings 那时正在研究普遍分布的淡水原生生物 S. roeselii。这些单细胞生物以其相对较大的体积和怪异的喇叭状身体而著称。在这种生物的概况和喇叭 “钟” 上布满了被称为纤毛的毛发状突起，可以或许用来游动，并在四周的液体中发生漩涡，把食物扫进它们的“嘴里”。在它们身体的另一端，它们藏匿着一个抓握器，这个抓握器把它们与四周固定在一路，使它们在进食时连结静止。

图 | S. roeselii（来历：Current Biology）

Jennings 用显微镜、移液管和不变的抓手细心记实了 S. roeselii 在接触情况刺激物（一些粉末）时的行为。Jennings 不雅察到一系列有序的行为，凡是环境下，S. roeselii 会频频弯曲身体以避免粉末，若是刺激持续，它会逆转纤毛的活动，用嘴巴将这些粉末摈除。若是这个方式也掉败了，它就会缩短，敏捷地把本身拉紧，像一些无脊椎动物缩回壳里一样。最后，若是之前所有的尽力都掉败了，S. roeselii 就会摆脱束厄局促，快速游走。

这些行为组成了一个有序的策略，单细胞生物按照优先级不竭改变应对体例。这一不雅察成果表白，这种单核细胞生物，具有一些已知的最复杂的行为。

这个尝试引起了普遍的乐趣，但随后的反复试验，尤其是 1967 年颁发的一项研究，都没有当作功。这也导致 Jennings 的发此刻很大水平上遭到现代科学的质疑和遗忘。

大获当作功的 “兼职” 项目

就像原本糊口在一个完全适宜栖身的水坑里的生物一样，俄然呈现的粉末刺激让 Gunawardena 感应不太舒畅，于是他决议追踪 1967 年的那项研究。

成果令他惊奇的是，他发现那些后来反复 Jennings 尝试的研究者，因为无法找到 S. roeselii，便利用了另一种分歧的物种 Stentor couleus，而这种单细胞生物它更喜好四处漂浮，而不是本家儿动吸附食物。

Gunawardena 认为，他们没能重实际验成果也就层见迭出了。于是，他试图精确地复制 Jennings 昔时的尝试。但作为办理着一所专注于分子信息处置医学尝试室的数学家，他发现很难说服身边人。

“我一向在我的尝试室小组会议上提出这个设法，说它告诉我们一些关于单细胞的能力。我们不再以这种体例思虑细胞是若何工作的，不出所料，没有人感乐趣。这是古老的汗青，这是描述性的生物学，所有这些年青、伶俐的学生都不肯接触的工具。”Gunawardena 说。

大约八年前，一名本科练习生 Joseph Dexter 也被这个设法所吸引，后来他当作为 Gunawardena 的博士生，此刻是英国达特茅斯大学 Neukom 计较科学研究所的研究员。Gunawardena 的对峙，最终让 Dexter 的同事、现为英国剑桥大学研究组组长的 Sudhakaran Prabakaran 对这一发现也发生了乐趣。

因为无法按捺的好奇心和汗青感，在没有正式帮助的环境下，他们三人起头了一个历时数年的副业项目。

Dexter 和 Prabakaran 设计并进行了尝试，他们的第一个挑战是找到 S. roeselii。他们处处寻找，甚至跑到本地的水池里搜寻。最终，他们在英国找到了一家供给商，这家供给商从一个高尔夫球场的水池采购生物，然后把它们运到大西洋对岸。

研究小组成立了一个尝试装配，装备了视频显微镜和微定位系统，以精确地传送刺激物到 S. roeselii 的 “嘴巴” 四周。他们最初利用胭脂红粉，但几乎没有反映，颠末频频试验，发现微型塑料珠是有用的。

令他们欢快的是，这三人当作功地再现了 Jennings 百年前曾经描述过的所有行为。

可是，他们并没有看到 Jennings 所记实的谙练有序的行为条理。相反，这些尝试对象之间似乎存在着半斤八两大的差别，一个样本在缩短前可能会弯曲和改变其纤毛，另一个样本可能只会频频缩短，而另一个则会瓜代弯曲和缩短。

为了进一步探讨现象背后的原因，这三小我依靠他们作为定量生物学家的焦点专业常识，开辟了一种方式，将他们看到的分歧行为编码当作一系列符号，然后利用统计阐发来寻找纪律。

肉眼不雅察的掉败，却不测经由过程这三小我的数学常识获得了发现，阐发显示，这些单细胞生物确实存在一个行为递进策略。当面临刺激物时，S. roeselii 凡是会同时弯曲和改变它的纤毛。若是刺激持续，它就会缩短或摆脱，然后游走。后一种行为几乎老是发生在前一种行为之后，并且这些生物在没有起首缩短的环境下从不摆脱，这表白了存在一种优先级的行为挨次。

图 | 面临刺激物，S. roeselii 起首会弯下身子，改变纤毛的跳动，将微粒用口腔摈除（来历：Dexter et al, 2019）

图 | 若是弯曲和纤毛改变不敷，S. roeselii 将缩短，摆脱和游走（来历：Dexter et al, 2019）

“它们先做简单的工作，但若是您继续刺激，它们 “决议” 测验考试其他工作。S. roeselii 没有大脑，但似乎有某种机制，现实上，一旦感受刺激持续太久就会让它‘改变本家儿意’。”Gunawardena 说，“这种条理布局给人一种形象的感受，让人感受这个单细胞生物内部正在进行某种相对复杂的决议计划计较，衡量执行一种行为与执行另一种行为哪个更好。”

新的发现

经由过程当作功地反复 Jennings 的尝试，并对 S. roeselii 的行为能力进行新的定量不雅察，研究小组但愿它已经解决了汗青上关于 Jennings 发现的精确性的猜疑。

但此刻的成果激发了很多新的问题。

阐发表白，对于一个个别 S. roeselii 来说选择缩短或分手，几乎有一个完全相等的概率。对于研究细胞若何在分子程度上处置信息的科学家来说，这是一条出格诱人的线索。

研究人员暗示，这两种行为之间的决议是一致的，每个生物体自力地抛一枚无偏的硬币，而不考虑之前的行为。

“某种水平上，是基于它的决议，在分子程度上基于公允的抛硬币，我想不出任何已知的机制可以让他们实现这一点。这是令人难以置信的迷人之处，Jennings 从未不雅察到过，是因为需要定量测量来揭示它。”Gunawardena 说。

不雅察到单个细胞可以或许做出复杂的行为，同样对于生物学的其他范畴具有主要价值。例如，在发育生物学或癌症研究中，细胞所履历的过程凡是被称为程序，Gunawardena 暗示，这表白细胞被 “编程” 去做它们所做的工作。“可是存在于一个很是复杂的生态系统中的细胞，它们在某种水平上彼此交流和协商，对旌旗灯号做出反映并做出决议。”

Gunawardena 认为，这个尝试迫使我们去思虑，某种形式的细胞 “认知” 的存在，在这种认知中，单个细胞可以或许处置复杂的信息并做出响应的决议计划。所有生命都有不异的根本，最新研究成果至少为我们供给了一个证据，申明为什么我们应该拓宽视野，把这种思维纳入现代生物学研究。

“这也申明，有时辰我们往往会轻忽一些工作，不是因为它们不存在，而是因为我们认为没有需要去存眷它们。我认为这就是这项研究如斯有趣的原因。”Gunawardena 说。