曾經(jīng)，單細(xì)胞生命獨霸地球。

在大約 30 億年的時間長河里，一代代單細(xì)胞生物只在彼此之間進(jìn)食、生長和繁殖，在地球上的每個生態(tài)位上形成復(fù)雜而動態(tài)的生態(tài)系統(tǒng)。直到大約 6 億年前，一些單細(xì)胞生物才跨越了多細(xì)胞生物的界限。

在今天，單細(xì)胞生物是原始和簡單的代名詞。然而，一項最新研究表明，這些單細(xì)胞生物的能力可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出它們的遠(yuǎn)親人類的想象。

哈佛醫(yī)學(xué)院的系統(tǒng)生物學(xué)家通過重復(fù)一個多世紀(jì)前進(jìn)行的一項實驗，現(xiàn)在拿出了令人信服的證據(jù)，證明至少一種名為 Stentor roeselii 的單細(xì)胞生物，具有復(fù)雜多樣的行為策略。

研究人員表示，反復(fù)暴露在相同的刺激下，機(jī)體實際上可以就如何應(yīng)對 “改變主意”，這表明它們有能力做出相對復(fù)雜的決策過程。研究結(jié)果在線發(fā)表在 12 月 5 日的《當(dāng)代生物學(xué)》(Current Biology) 上。

圖 | S. roeselii 在收縮（來源：Bill Porter/Harvard Medical School）

“我們的發(fā)現(xiàn)表明，單個細(xì)胞比我們通常認(rèn)為的要復(fù)雜得多，”本次研究作者、哈佛大學(xué)布拉瓦特尼克研究所 (Blavatnik Institute at HMS) 系統(tǒng)生物學(xué)副教授 Jeremy Gunawardena 說，而這種復(fù)雜性在進(jìn)化上是有道理的。

“像 S. roeselii 這樣的生物在多細(xì)胞生物出現(xiàn)之前，就是食物鏈頂端的食肉動物，它們在許多不同的水生環(huán)境中分布極為廣泛。它們必須聰明地弄清楚應(yīng)該避免什么，在哪里吃，以及生物體為了生存必須做的所有其他事情。我認(rèn)為很明顯，他們可以用復(fù)雜的方法來做到這一點?！盙unawardena 說。

時隔一個世紀(jì)的實驗

100 多年前，一位名叫 Herbert Spencer Jennings 的美國著名動物學(xué)家描述了一種名叫Stentor roeseli 的單細(xì)胞淡水原生生物復(fù)雜多樣的回避行為。但是后來相關(guān)的實驗未能重現(xiàn)他所看到的景象，他的說法便遭到質(zhì)疑并被擱置一邊。

10 年前，在英國生物學(xué)家 Dennis Bray 的一次演講中，Herbert Spencer Jennings 在 1906 年發(fā)表的著作《低等生物的行為》中有一個特別的實驗引起了 Gunawardena 的注意。

Jennings 當(dāng)時正在研究廣泛分布的淡水原生生物 S. roeselii。這些單細(xì)胞生物以其相對較大的體積和獨特的喇叭狀身體而著稱。在這種生物的表面和喇叭 “鐘” 上布滿了被稱為纖毛的毛發(fā)狀突起，能夠用來游動，并在周圍的液體中產(chǎn)生漩渦，把食物掃進(jìn)它們的“嘴里”。在它們身體的另一端，它們藏匿著一個抓握器，這個抓握器把它們與周圍固定在一起，使它們在進(jìn)食時保持靜止。

圖 | S. roeselii（來源：Current Biology）

Jennings 用顯微鏡、移液管和穩(wěn)定的抓手仔細(xì)記錄了 S. roeselii 在接觸環(huán)境刺激物（一些粉末）時的行為。Jennings 觀察到一系列有序的行為，通常情況下，S. roeselii 會反復(fù)彎曲身體以避免粉末，如果刺激持續(xù)，它會逆轉(zhuǎn)纖毛的運(yùn)動，用嘴巴將這些粉末驅(qū)逐。如果這個方法也失敗了，它就會收縮，迅速地把自己拉緊，像一些無脊椎動物縮回殼里一樣。最后，如果之前所有的努力都失敗了，S. roeselii 就會掙脫束縛，快速游走。

這些行為構(gòu)成了一個有序的策略，單細(xì)胞生物根據(jù)優(yōu)先級不斷改變應(yīng)對方式。這一觀察結(jié)果表明，這種單核細(xì)胞生物，具有一些已知的最復(fù)雜的行為。

這個實驗引起了廣泛的興趣，但隨后的重復(fù)試驗，尤其是 1967 年發(fā)表的一項研究，都沒有成功。這也導(dǎo)致 Jennings 的發(fā)現(xiàn)在很大程度上遭到現(xiàn)代科學(xué)的質(zhì)疑和遺忘。

大獲成功的 “兼職” 項目

就像原本生活在一個完全適宜居住的水坑里的生物一樣，突然出現(xiàn)的粉末刺激讓 Gunawardena 感到不太舒服，于是他決定追蹤 1967 年的那項研究。

結(jié)果令他驚訝的是，他發(fā)現(xiàn)那些后來重復(fù) Jennings 實驗的研究者，由于無法找到 S. roeselii，便使用了另一種不同的物種 Stentor couleus，而這種單細(xì)胞生物它更喜歡四處漂浮，而不是主動吸附食物。

Gunawardena 認(rèn)為，他們沒能重現(xiàn)實驗結(jié)果也就不足為奇了。于是，他試圖準(zhǔn)確地復(fù)制 Jennings 當(dāng)年的實驗。但作為管理著一所專注于分子信息處理醫(yī)學(xué)實驗室的數(shù)學(xué)家，他發(fā)現(xiàn)很難說服身邊人。

“我一直在我的實驗室小組會議上提出這個想法，說它告訴我們一些關(guān)于單細(xì)胞的能力。我們不再以這種方式思考細(xì)胞是如何工作的，不出所料，沒有人感興趣。這是古老的歷史，這是描述性的生物學(xué)，所有這些年輕、聰明的學(xué)生都不愿接觸的東西。”Gunawardena 說。

大約八年前，一名本科實習(xí)生 Joseph Dexter 也被這個想法所吸引，后來他成為 Gunawardena 的博士生，現(xiàn)在是英國達(dá)特茅斯大學(xué) Neukom 計算科學(xué)研究所的研究員。Gunawardena 的堅持，最終讓 Dexter 的同事、現(xiàn)為英國劍橋大學(xué)研究組組長的 Sudhakaran Prabakaran 對這一發(fā)現(xiàn)也產(chǎn)生了興趣。

由于無法抑制的好奇心和歷史感，在沒有正式資助的情況下，他們?nèi)碎_始了一個歷時數(shù)年的副業(yè)項目。

Dexter 和 Prabakaran 設(shè)計并進(jìn)行了實驗，他們的第一個挑戰(zhàn)是找到 S. roeselii。他們到處尋找，甚至跑到當(dāng)?shù)氐某靥晾锼褜?。最終，他們在英國找到了一家供應(yīng)商，這家供應(yīng)商從一個高爾夫球場的池塘采購生物，然后把它們運(yùn)到大西洋對岸。

研究小組建立了一個實驗裝置，裝備了視頻顯微鏡和微定位系統(tǒng)，以準(zhǔn)確地傳送刺激物到 S. roeselii 的 “嘴巴” 附近。他們最初使用胭脂紅粉，但幾乎沒有反應(yīng)，經(jīng)過反復(fù)試驗，發(fā)現(xiàn)微型塑料珠是有效的。

令他們高興的是，這三人成功地再現(xiàn)了 Jennings 百年前曾經(jīng)描述過的所有行為。

但是，他們并沒有看到 Jennings 所記錄的熟練有序的行為層次。相反，這些實驗對象之間似乎存在著相當(dāng)大的差異，一個樣本在收縮前可能會彎曲和改變其纖毛，另一個樣本可能只會反復(fù)收縮，而另一個則會交替彎曲和收縮。

為了進(jìn)一步探究現(xiàn)象背后的原因，這三個人依靠他們作為定量生物學(xué)家的核心專業(yè)知識，開發(fā)了一種方法，將他們看到的不同行為編碼成一系列符號，然后使用統(tǒng)計分析來尋找規(guī)律。

肉眼觀察的失敗，卻意外通過這三個人的數(shù)學(xué)知識獲得了發(fā)現(xiàn)，分析顯示，這些單細(xì)胞生物確實存在一個行為遞進(jìn)策略。當(dāng)面對刺激物時，S. roeselii 通常會同時彎曲和改變它的纖毛。如果刺激持續(xù)，它就會收縮或掙脫，然后游走。后一種行為幾乎總是發(fā)生在前一種行為之后，而且這些生物在沒有首先收縮的情況下從不掙脫，這表明了存在一種優(yōu)先級的行為順序。

圖 | 面對刺激物，S. roeselii 首先會彎下身子，改變纖毛的跳動，將微粒用口腔驅(qū)逐（來源：Dexter et al, 2019）

圖 | 如果彎曲和纖毛改變不夠，S. roeselii 將收縮，掙脫和游走（來源：Dexter et al, 2019）

“它們先做簡單的事情，但如果你繼續(xù)刺激，它們 “決定” 嘗試其他事情。S. roeselii 沒有大腦，但似乎有某種機(jī)制，實際上，一旦感覺刺激持續(xù)太久就會讓它‘改變主意’?！盙unawardena 說，“這種層次結(jié)構(gòu)給人一種形象的感覺，讓人感覺這個單細(xì)胞生物內(nèi)部正在進(jìn)行某種相對復(fù)雜的決策計算，權(quán)衡執(zhí)行一種行為與執(zhí)行另一種行為哪個更好。”

新的發(fā)現(xiàn)

通過成功地重復(fù) Jennings 的實驗，并對 S. roeselii 的行為能力進(jìn)行新的定量觀察，研究小組希望它已經(jīng)解決了歷史上關(guān)于 Jennings 發(fā)現(xiàn)的準(zhǔn)確性的困惑。

但現(xiàn)在的結(jié)果引發(fā)了許多新的問題。

分析表明，對于一個個體 S. roeselii 來說選擇收縮或分離，幾乎有一個完全相等的概率。對于研究細(xì)胞如何在分子水平上處理信息的科學(xué)家來說，這是一條特別誘人的線索。

研究人員表示，這兩種行為之間的決定是一致的，每個生物體獨立地拋一枚無偏的硬幣，而不考慮之前的行為。

“某種程度上，是基于它的決定，在分子水平上基于公平的拋硬幣，我想不出任何已知的機(jī)制可以讓他們實現(xiàn)這一點。這是令人難以置信的迷人之處，Jennings 從未觀察到過，是因為需要定量測量來揭示它。”Gunawardena 說。

觀察到單個細(xì)胞能夠做出復(fù)雜的行為，同樣對于生物學(xué)的其他領(lǐng)域具有重要價值。例如，在發(fā)育生物學(xué)或癌癥研究中，細(xì)胞所經(jīng)歷的過程通常被稱為程序，Gunawardena 表示，這表明細(xì)胞被 “編程” 去做它們所做的事情?！暗谴嬖谟谝粋€非常復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)中的細(xì)胞，它們在某種程度上彼此交流和協(xié)商，對信號做出反應(yīng)并做出決定?！?/p>

Gunawardena 認(rèn)為，這個實驗迫使我們?nèi)ニ伎迹撤N形式的細(xì)胞 “認(rèn)知” 的存在，在這種認(rèn)知中，單個細(xì)胞能夠處理復(fù)雜的信息并做出相應(yīng)的決策。所有生命都有相同的基礎(chǔ)，最新研究結(jié)果至少為我們提供了一個證據(jù)，說明為什么我們應(yīng)該拓寬視野，把這種思維納入現(xiàn)代生物學(xué)研究。

“這也說明，有時候我們往往會忽視一些事情，不是因為它們不存在，而是因為我們認(rèn)為沒有必要去關(guān)注它們。我認(rèn)為這就是這項研究如此有趣的原因?！盙unawardena 說。

來源：MIT科技評論