1906年,动物学家赫伯特·斯宾塞·詹宁斯出版了《低等生物的行为》,这本书包含一个发人深省的观点:微生物可以改变主意。
他的研究对象是一种布满纤毛的单细胞生物,名为喇叭虫。这些喇叭状的捕食者非常大,鱼可以吃掉它们
而且人类肉眼可见,并且非常大胆,它们可以捕捉并吃掉轮虫——真正的动物,拥有数百个细胞和一个简单的大脑。在微生物的世界里,喇叭虫介于星际驱逐舰和沙拉克之间。
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詹宁斯决定惹恼它,看看会发生什么。当面对一股由他稳健的手精确瞄准其口部的刺激性胭脂红粉末时,喇叭虫首先会弯曲躲避,然后反转其纤毛(称为纤毛)的摆动以排出粉末,然后收缩,最后脱离。
他注意到,行为的顺序会因不同的刺激物(他尝试了其他化学物质)而略有不同,有时会省略一些步骤。“但仍然如此,”他写道,“在逐渐干扰生物体正常活动的条件下,行为包括‘尝试’连续不同的反应,直到找到一种能够缓解痛苦的反应。”
简而言之,喇叭虫可以用一种行为应对刺激,如果刺激持续存在,则可以选择代价更高的办法。至少在短时间内(詹宁斯宣称这在实验上难以确定,且至今仍未解决),它可以“记住”它已经尝试过一种解决方案但没有成功,并选择另一种方案。
但在1967年,来自另一个动物行为学派的科学家重复了他的实验,但未能产生相同的结果。就这样,詹宁斯的发现被扔进了垃圾堆。
大约在10年前,哈佛医学院系统生物学副教授杰里米·古纳瓦德纳发现了这个实验及其被否定,并认为它值得重新审视。令他惊讶的是,他发现1967年的团队没有使用正确的喇叭虫物种(行为学家认为变异来自环境而不是基因,他们可能觉得物种并不重要)。他们选择的物种是Stentor coeruleus,它非常喜欢游泳,这与詹宁斯的Stentor roeselii不同,后者更喜欢在池边休闲。
古纳瓦德纳对复制该实验可能会揭示单细胞生物的能力感到着迷。在实验室会议上徒劳地提出了这个想法多年之后,他找到了本科生约瑟夫·德克斯特和博士后苏达卡兰·普拉巴卡兰,他们愿意在晚上和周末尝试——而且没有资金。
这一次,哈佛团队设法在英国一个高尔夫球场池塘中找到了正确的物种,构建了自己的“喇叭虫刺激装置”(作为定量生物学家,他们缺乏詹宁斯极端的移液管技能),并发现了一些非凡的东西。
在他们的装置中,喇叭虫对胭脂红粉末的反应与詹宁斯描述的不同。然而,当面对21世纪塑料微珠的冲击时,单个Stentor roeseli的行为与詹宁斯的描述一致——而且在詹宁斯1906年没有观察到的一个非凡方面。
如果喇叭虫真的可以“决定”,那么它肯定不是纤毛虫(喇叭虫所属的毛茸茸的微生物群)中唯一与我们相似的生物。纤毛虫就像一个巨大的单细胞动物一样运作,这种相似性可能令人震惊。
例如,有些纤毛虫将它们的纤毛捆绑成称为纤毛束的结构,并可以用作腿、嘴、桨或牙齿。游仆虫可以在纤毛束上灵活地在表面滑行,就像某种《第三类接触》级别的水蚤。纤毛束由神经状神经原纤维连接。如果神经原纤维被切断,纤毛束就会变得无力。
有些纤毛虫装有微小的系绳飞镖,它们可以发射来攻击猎物、吓退捕食者或只是抛锚。另一些则长有触手,可以捕捉食物。像海星一样,纤毛虫可以在一两天内从令人震惊的小碎片中再生整个身体,前提是这些碎片既包含细胞的纤毛装甲,又包含细胞的遗传核心——细胞核。许多纤毛虫以通常的方式通过一分为二来分裂,但一些有柄或固着的纤毛虫通过特殊的产道将小的圆形幼虫推入世界。
一种名为Diplodinium的纤毛虫生活在牛和其他有蹄类动物的瘤胃中,这是一种已知会滋生各种奇怪事物的特殊环境,其中大约一半的质量可能是纤毛虫(下次你看到一头牛平静地咀嚼食物时,想想这一点)。Diplodinium包含神经原纤维、纤毛束、肌肉状横纹收缩纤维(称为肌丝)、由堆叠板组成的“脊柱”、嘴、在连接到其外部的环的帮助下收缩的食道和一个肛门。但请记住:单细胞生物。
简而言之,纤毛虫已将单细胞生物学发展到了地球上显而易见的极限。一旦你理解了这一点,那么它们内部有类似脑袋的东西就没那么牵强附会了。
在2019年发表在Current Biology期刊上的这项新研究中,科学家们发现喇叭虫确实会根据重复的微珠喷射来切换行为,并且操作顺序通常与詹宁斯的描述一致。脱离总是先于收缩,数学分析显示,纤毛交替或弯曲比收缩更有可能先出现。
关于他们的数据,还有一些有趣之处
,我鼓励您亲自检查:看起来喇叭虫确实有性格。有些反复收缩和放松,或弯曲、收缩,然后放松,似乎愿意容忍刺激——或冒险生活。这些是乐观主义者。
有些收缩一次或几次,就再也没有放松过。另一些则收缩并脱离,仅此而已。这些是悲观主义者(或者可能只是最近一次成功“送餐”的生物)。
有些喇叭虫总是以一两种首选行为做出反应,而从不以其他它们肯定也具有生物学能力的行动做出反应。一个不知疲倦的个体经受了13次微珠冲击,始终如一地以纤毛交替或收缩做出反应,从不弯曲或脱离。
喇叭虫是否拥有类似能动性的东西——一种做决定的能力?这项研究和詹宁斯的证据当然表明是这样的。
还有一个最终的启发性发现。该团队的统计分析显示,收缩或脱离之间的选择与抛掷一枚均匀硬币的概率一致。换句话说,这似乎完全是随机的。
只有一个问题:没有已知的细胞机制可以产生这种结果。这个令人费解的问题仍然既未被复制也未被解释。
也许现在是时候放下我们对细胞能力的先入为主的观念了,因为它们仅仅是细胞,而我们自己苏联式身体中的细胞相当于工蜂。狡猾、持枪、自由生活的细胞的能力很可能超出我们愚笨的灵长类动物的想象。