Представьте себе, что вы идете по лесу и задеваете ногой бревно. На его нижней стороне расположилось что-то влажное, желтое и разветвляющееся на красивые фрактальные ветви.
Это плазмодий Physarum polycephalum, многоголовой слизевой плесени. Как и другие слизистые плесени, встречающиеся в природе, она играет важную экологическую роль, помогая разлагать органические вещества, чтобы затем вернуть их в пищевую сеть.
У этого причудливого маленького организма нет ни мозга, ни нервной системы; его ярко-желтое тело — это всего лишь одна клетка. Этот вид слизистой плесени процветал, более или менее неизменным, в течение миллиарда лет в своих сырых местах обитания.
А в последнее десятилетие он изменил наше представление о познании и способах решения сложных задач.
«Я думаю, что это такая же революция, которая произошла, когда люди поняли, что растения могут общаться друг с другом», — говорит биолог Одри Дюссутур из Национального центра научных исследований Франции.
«Даже эти крошечные микробы могут учиться»
P. polycephalum, которому Дюссутур дал очаровательное прозвище «Шарик», не является редким видом. Его можно найти в темной, влажной, прохладной среде, например, в лиственной подстилке в лесу. Кроме того, он очень необычен: хотя мы называем его «плесенью», на самом деле это не грибок. Это не животное и не растение, а представитель царства протистов — своего рода всеобъемлющей группы для всего, что не может быть однозначно отнесено к трем другим царствам.
Он начинает свою жизнь как множество отдельных клеток, каждая с одним ядром. Затем они сливаются, образуя плазмодий — вегетативную стадию жизни, в которой организм питается и растет.
В таком виде, расходясь по жилам в поисках пищи и изучая окружающую среду, он все еще остается одной клеткой, но содержит миллионы или даже миллиарды ядер, плавающих в цитоплазматической жидкости, заключенной в ярко-желтой мембране.
Познание без мозга
Как и всем организмам, P. polycephalum необходимо уметь принимать решения относительно окружающей среды. Он должен искать пищу и избегать опасности. Ему необходимо найти идеальные условия для своего репродуктивного цикла. И вот тут-то наш маленький желтый друг становится по-настоящему интересным. У P. polycephalum нет центральной нервной системы.
У него даже нет специализированных тканей.
Тем не менее, он может решать сложные головоломки, например, лабиринты, и запоминать новые вещества. Такие задачи, которые, как мы считали раньше, под силу только животным.
«Мы говорим о познании без мозга, очевидно, но также и без нейронов вообще. Поэтому основные механизмы, вся архитектура того, как он работает с информацией, полностью отличается от того, как работает ваш мозг», — говорит биолог Крис Рид из Университета Маккуори в Австралии.
«Поставив перед ним те же задачи по решению проблем, которые мы традиционно ставили перед животными с мозгом, мы можем начать понимать, как эта принципиально иная система может прийти к тому же результату. Именно здесь становится ясно, что для многих из этих вещей — которые, как мы всегда считали, требуют наличия мозга или какой-то более высокой системы обработки информации — это не всегда необходимо».
P. polycephalum хорошо известен науке. Десятилетия назад, как объяснил физик Ханс-Гюнтер Дёберейнер из Бременского университета в Германии, это была «рабочая лошадка клеточной биологии». Ее было легко клонировать, хранить и изучать.
Однако по мере развития инструментов генетического анализа на смену пришли такие организмы, как мыши, или клеточные штаммы, такие как HeLa, и P. polycephalum отошел на второй план.
В 2000 году биолог Тосиюки Накагаки из японского института RIKEN воскресил его — и не для клеточной биологии. Его статья, опубликованная в журнале Nature, называлась «Решение лабиринтов амебоидным организмом» — и именно это сделал P. polycephalum.
Накагаки и его команда поместили кусочек плазмодия в один конец лабиринта, пищевое вознаграждение (овес, потому что P. polycephalum любит овсяные бактерии) — в другой, и наблюдали за тем, что происходит.
Результаты были ошеломляющими. Этот странный маленький ацеллюлярный организм смог найти самый быстрый путь через все лабиринты, которые ему предлагали.
«Это вызвало волну исследований, в каких еще более сложных сценариях мы можем испытать слизистую плесень», — говорит Рид.
«Практически все они были в той или иной степени неожиданными и удивили исследователей тем, как на самом деле проявила себя слизевая плесень. Выявились и некоторые ограничения. Но в основном это было путешествие с откровениями о том, как это простое существо может выполнять задачи, которые всегда ставились и считались уделом высших организмов».
Полный сюрпризов
Накагаки воссоздал токийское метро с узлами станций, обозначенными овсом; P. polycephalum воссоздал его почти в точности — за исключением того, что версия слизистой плесени была более устойчива к повреждениям, и если какое-то звено было разорвано, остальная часть сети могла продолжать работу.
Еще одна группа исследователей обнаружила, что этот вид может эффективно решать задачу о путешествующем продавце — экспоненциально сложную математическую задачу, которую программисты обычно используют для тестирования алгоритмов.
Ранее в этом году группа исследователей обнаружила, что P. polycephalum может «запоминать» места, где он ранее находил пищу, основываясь на структуре прожилок в этой области. Это последовало за предыдущими исследованиями Дюссутур и ее коллег, которые обнаружили, что слизистая плесень может изучать и запоминать вещества, которые ей не нравятся, и передавать эту информацию другим слизистым плесеням после их слияния.
«Я до сих пор поражаюсь тому, насколько, в некотором смысле, сложными они являются, потому что они всегда удивляют вас в эксперименте, они никогда не будут делать именно то, что вы захотите», — говорит Дюссутур.
В одном случае ее команда тестировала среду для выращивания клеток млекопитающих и хотела узнать, понравится ли она слизи.
«Она ее возненавидела. Она начала строить эту странную трехмерную структуру, чтобы она могла двигаться по свинцу и сбежать. И я сказал: „Боже мой, этот организм разумен“».
Сеть обработки данных
Хотя технически это одноклеточный организм, P. polycephalum считается сетью, демонстрирующей коллективное поведение. Каждая часть слизистой плесени работает независимо и обменивается информацией с соседними частями, без централизованной обработки.
«Я думаю, что аналогом могут быть нейроны в мозге», — сказал Рид. «У вас есть один мозг, состоящий из множества нейронов — то же самое происходит и со слизистой плесенью».
Эта аналогия с мозгом действительно интригует, и это не первый случай, когда P. polycephalum сравнивают с сетью нейронов. Топология и структура сетей мозга и слизистой плесени очень похожи, и обе системы демонстрируют осцилляции.
Не совсем ясно, как информация распространяется и обменивается в слизистой плесени, но мы знаем, что вены P. polycephalum сокращаются и действуют как перистальтический насос, перегоняя цитоплазматическую жидкость из секции в секцию. И колебания в этой жидкости, похоже, совпадают со встречами с внешними раздражителями.
«Считается, что эти колебания передают информацию, обрабатывают информацию, взаимодействуя между собой, и фактически одновременно создают поведение», — сказал Дёберейнер в интервью ScienceAlert.
«Если сеть Physarum идет к определенной пище, то при встрече с сахаром она меняет характер колебаний: она начинает колебаться быстрее. Из-за этих более быстрых колебаний весь организм начинает менять свой паттерн колебаний и начинает течь в том направлении, где была найдена пища».
В 2021 году он и его коллеги опубликовали работу, в которой продемонстрировали, что эти колебания чрезвычайно похожи на колебания, наблюдаемые в мозге, только это гидродинамическая система, а не электрические сигналы.
«Важно не столько то, что колеблется и как переносится информация, — объясняет он, — сколько то, что она колеблется и что топология имеет значение — связан ли один нейрон со 100 нейронами или только с двумя; связан ли нейрон только со своими соседями или он связан с другим нейроном, расположенным очень далеко».
Определение познания
Какими бы захватывающими ни казались его поступки, любой исследователь, работающий с ним, скажет вам, что P. polycephalum сам по себе не является мозгом. Насколько мы можем судить, он не способен к высокоуровневой обработке данных или абстрактному мышлению.
Как бы интригующе ни выглядела эта идея, слизь также не способна эволюционировать в нечто похожее на мозг. У организма был миллиард лет для этого, и он не показывает никаких признаков того, что движется в этом направлении.
С точки зрения общей биологии, слизистая плесень чрезвычайно проста. И именно этот факт меняет наше представление о решении проблем.
Как и другим организмам, ей нужна пища, ей нужно ориентироваться в окружающей среде, ей нужно безопасное место для роста и размножения. Эти проблемы могут быть сложными, и все же P. polycephalum может решать их с помощью своей крайне ограниченной когнитивной архитектуры. Он делает это по-своему просто и со своими ограничениями, — говорит Рид, — но это само по себе является одной из прекрасных черт системы".
В некотором смысле, это оставляет нас с организмом — мокрым, слизистым, любящим сырость сгустком, — чье познание фундаментально отличается от нашего собственного. Ион может научить нас новым способам решения наших собственных проблем.
«Это учит нас природе интеллекта, бросая вызов определенным взглядам и, по сути, расширяя концепцию», — сказал Рид.
«Это заставляет нас бросить вызов этим давно укоренившимся антропоцентрическим убеждениям, что мы уникальны и способны на гораздо большее, чем другие существа».
