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無神經系統單細胞黏菌竟可形成「記憶」 助其覓食、移動

2021/2/24 — 21:27

圖片素材來源:wikipedia 圖片

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擁有記憶對生命來說非常重要,可讓牠們能在未來做出更明智決策,尋找食物與避開有害環境,以增加生存機會。最新刊於《美國國家科學院期刊 (PNAS) 》的研究發現,原生生物多頭絨泡菌 (Physarum polycephalum) 雖然無神經系統,但仍可形成記憶基礎。

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,通常為鮮黃色,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。

多頭絨泡菌
Credit: Nico Schramma / MPIDS

多頭絨泡菌
Credit: Nico Schramma / MPIDS

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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。

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是次研究的德國團隊則發現,多頭絨泡菌會將尋覓食物的記憶,直接存儲到管狀網絡結構之中。當多頭絨泡菌發現附近有食物時,會檢測食物散發的化學物質,並指令最靠近食物的管開始膨脹。同時,遠離食物的管會收縮,有時甚至完全消失,被本體重新吸收。然後多頭絨泡菌會不斷向較粗寬、已擴張的管的方向蠕動與遷移,直至能吞沒食物。

團隊指,即使吞掉所有食物後,多頭絨泡菌仍會保持同一管狀網絡分佈,留下持久的「記憶」痕跡以顯示此前的食物位置。此做法也會決定細胞中的液體如何在整個管狀網絡流動:如果更多的食物在厚管附近出現,多頭絨泡菌就會繼續朝同一方向擴散,原本的覓食「記憶」也會得到加強。

負責研究的慕尼黑工業大學生物網絡理論教授 Karen Alim 解釋,在大腦中人類也會通過增強或減弱單個神經元之間的連接來存儲訊息,每一次額外的脈衝都可能會加強現有的牢固聯繫;神經元是指能發出電和化學信號的神經細胞。

因此她認為,多頭絨泡菌以一個類似但簡化的過程形成記憶。就像大腦中的連接一樣,如果不增強多頭絨泡菌的「記憶」,便會變得更弱,遠離食物的管子會變細,甚至消失。當管子消退時,記憶也會隨之消失。當多頭絨泡菌塊遷移並尋找新的營養時,舊有記憶就會被覆蓋。

基於實驗室實驗和電腦模型結果,團隊懷疑多頭絨泡菌在感測到食物時會產生一些可溶物質,這種物質會導致最靠近食物的管變軟並伸展,但團隊暫時對該物質的化學成分一無所知,相信這將是未來研究的重點,甚至可能應用在軟體機械人研發上。

來源:
Phys.org, Researchers find a single-celled slime mold with no nervous system that remembers food locations, 23 February 2021
Live Science, This gooey, brainless blob can store memories, 22 February 2021

報告:
Alim, K. & Karmar, M. (2021). Encoding memory in tube diameter hierarchy of living flow network. PNAS March 9, 2021 118 (10) e2007815118. doi: 10.1073/pnas.2007815118

文/Alan Chiu

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