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    無神經系統單細胞黏菌可先感應環境 之後再生長至未曾到過之地

    多頭絨泡菌 (Physarum polycephalum) 可能再刷新人類對決策能力的認知。最新刊於 Advanced Materials 的研究指,該種無神經系統原生生物能先感應附近環境,才決定往哪一個方向生長。

    有参與研究的加拿大阿爾戈馬大學神經科學家 Nirosha Murugan 指,學界對多頭絨泡菌越感興趣,因為該生物無大腦仍可執行與思考相關的許多行為,弄清原始生命如何設法進行這類計算,將會讓人類更深入了解動物認知和行為的基礎,包括人類自己。

    有關多頭絨泡菌

    通常為鮮黃色的多頭絨泡菌是一種生活在腐爛樹葉、木頭等陰涼潮濕環境中的單細胞黏菌,並以真菌孢子、細菌等微生物為食。該種單細胞生物,由相互連接的管形成類似血管的複雜網絡,延伸數厘米甚至幾米,是健力士世界紀錄中,地球上最大的細胞。當進食時,多頭絨泡菌會將管狀網絡有系統地收縮,推動液體和營養物質進入細胞較內部之中。

    雖然是單細胞生物,但此前已有團隊發現多頭絨泡菌有解決複雜問題的驚人能力,例如可在迷宮中尋找最短路徑,尤其是多頭絨泡菌的管狀網絡會不斷快速重組,且缺乏一個所謂記憶的中心,因此一直引起不同團隊的興趣。今年較早前亦有研究發現,多頭絨泡菌可形成「記憶」,助其覓食與移動。

    由於之前大部分研究都涉及獎勵,例如光或食物。Muruga 的團隊想知道多頭絨泡菌,如何在沒有這些獎勵情況下,僅根據其物理環境決定。

    團隊將多頭絨泡菌置於培養皿中的普通瓊脂凝膠上。在皿的一邊,團隊放置了一個小玻璃盤,另一邊,則有三個小玻璃盤並排放置。然後,整個培養皿被放置在黑房中,讓多頭絨泡菌自行生長。

    在最初的 12 個小時,多頭絨泡菌會向各個方向平均生長,但到 24 小時關口時,70% 的樣本都朝著有三個小玻璃盤方向生長。

    多頭絨泡菌生長方向。 Credit: Murugan, N.J. & et al. (2021).

    進一步實驗發現更奇怪之處:當三個小玻璃盤被疊起時,多頭絨泡菌失去向該方向生長的動力,以大致相同的速度向兩邊生長。這似乎表明,導致多頭絨泡菌偏愛向並排小玻璃盤生長,並非玻璃盤量的本身。

    團隊透過電腦模型發現,當三個玻璃盤並排時令有彈性的凝膠變形情況與疊起時不同,並認為這種變化是多頭絨泡菌向移動。

    有参與研究的哈佛大學 Wyss 研究所工程師 Richard Novak 比喻,當晚上在高速公路上開車,想尋找一個可以停下來的小鎮,你看到一個亮點,和一組不太亮的點,後者更似是一個城鎮。他指出,這個比喻亦類似於實驗中不同排列所產生的力學改變,也因此成為多頭絨泡菌發展的吸引力。

    由於多頭絨泡菌無神經系統,下一個問題自然是牠們如何感應這種變化。團隊發現,這與多頭絨泡菌運動和內部溝通有關。

    多頭絨泡菌內的細胞質並非靜止,而是以脈衝方式移動。其靜脈壁收縮可充當蠕動泵,將液體從一個區域推向另一個區域。其他動物,例如哺乳動物,則在細胞膜中具有稱為 TRP 蛋白的分子可檢測伸縮行為。因此,團隊決定為多頭絨泡菌注射 TRP 蛋白阻滯劑。

    結果顯示,71% 多頭絨泡菌失去了辨識並排玻璃盤和單一玻璃盤的能力,平均生長,顯示多頭絨泡菌體內也有一些類似 TRP 蛋白的分子。

    Wyss 研究所生物學家 Mike Levin 解釋,發現顯示多頭絨泡菌用生物力學來探測周圍環境並對其作出反應,這突顯了這種能力在生物中演化的時間有多早,以及智能、行為和形態發生的密切關係。他又指,多頭絨泡菌提供了一個新模型,讓人類探索原始認知如何利用物理學來推動形式和功能的演化。

    來源:
    Science Alert, This Brainless Slime Mold Can Decide Where to Go Without Having Already Been There, 15 July 2021

    報告:
    Murugan, N.J., Kaltman, D.H., Jin, P.H. & et al. (2021). Mechanosensation Mediates Long-Range Spatial Decision-Making in an Aneural Organism. Adv. Mater. 2021, 2008161. doi: 10.1002/adma.202008161

    文/Alan Chiu

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