人类一直对我们的大脑及其强大的能力着迷，这可以理解。毕竟，有多少其他物种发明了布洛芬、电热毯和欢乐时光？但现在可能是时候深吸一口气，退后一步，问问细胞能做什么了。
我最近写了一篇关于喇叭虫的文章，这是一种巨大的喇叭状单细胞捕食者，它可能能够改变其“想法”。但这并非自由生活细胞第一次或第二次显示出它们拥有类似认知能力迹象。人们早就知道蓝喇叭虫——游泳的喇叭虫——能够对触摸产生“习惯化”；在你长时间戳它之后，它会停止如此容易地收缩，并且它可以记住在至少几个小时内少碰它。没有人知道这是如何发生的。
喇叭虫和另一种纤毛虫，即草履虫，通过经验提高了它们从毛细管中逃脱的时间（微生物版本的经典啮齿动物实验，称为“跑道”学习范式），尽管在喇叭虫的情况下，只有当管子是垂直的时候才有效。
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在20世纪中期，草履虫实际上接受了几次巴甫洛夫的狗式待遇（也称为经典条件反射）。1950年代，比阿特丽斯·格尔伯独自在芝加哥大学工作，她表明草履虫被训练将金属丝与附着着的美味细菌联系起来，即使后来在没有细菌的情况下呈现，它们仍然会聚集到金属丝上。单独在金属丝上训练的草履虫则不会。她的结果当时受到了强烈批评，并且大多被驳回，尽管最近的一项分析得出结论，她证明了这个案例。
在1970年代的另一个值得注意的例子中，曼卡托州立大学的科学家对草履虫进行了巴甫洛夫训练，将四秒钟的音调与最后两秒钟的电击配对。经过两到三个疗程后，大约一半或更多的明显胆小的草履虫对单独的音调发起了“回避反应”——向后猛拉和/或转弯并恢复游泳。
令人难以置信的是，它们可以记住这样做至少24小时。如果音调继续不伴随电击，它们也可以被取消训练，然后通过再次配对来重新训练。如果这项研究可信，它们还可以在决定是否发起逃生时，以某种方式区分 300 和 500 赫兹的音调。然而，其他使用排斥性刺激（如电击或热）对纤毛虫进行的条件反射实验未能显示出关联性。可以公平地说，如果细胞和联想学习的案例尚未结束，那么证据是非常有说服力的。
还有一个关于野生细胞学习的例子值得一提。在2008年发表的一项实验中，粘菌Physarum（一种单细胞巨型变形虫）学会了预测周期性的冷干燥空气喷射。在三个定时喷射周期后，粘菌的反应就好像它在适当的时间期待另一次喷射一样，通过减速来反应，这是它对不受欢迎的空气的通常反应。它不仅记住了；它还能以某种方式辨别时间。
如果它存在，那么所有这些明显的学习和决策的机制可能是什么？单细胞显然没有大脑或神经元，但它们有许多其他复杂的结构和分子，自然选择可以作用于这些结构和分子。正如我上次写的那样，对于像喇叭虫和草履虫这样的纤毛虫来说，这实在是轻描淡写了。
仅仅因为其他生命没有像我们一样连接，并不意味着它们没有能够产生类似事物的硬件，也许是以与我们自己截然不同且令人着迷的方式。如果结果是相同的，那么手段重要吗？
但一个更加令人震惊的可能性正在被越来越多的不同领域的博士们接受：动物和纤毛虫确实使用了相同的机制。
以雪貂为例。在一个经典条件反射的例子中，训练雪貂将信号与导致规律性眨眼间隔的刺激联系起来，它们会在单独听到信号后在适当的时刻眨眼。2014年对负责这种眨眼计时的雪貂脑细胞的一项研究暗示，单个细胞能够学习和预测相同的间隔，完全靠自己。
其他实验已经将海兔Aplysia的鳃收缩反射中习惯化的获得追溯到单个细胞的变化。最近对海兔和啮齿动物的研究都表明，某些记忆可以通过 RNA 和 DNA 在动物或世代之间转移。当粘菌融合时，记忆也从一种粘菌转移到另一种粘菌。各个生命层次的研究都表明，单个细胞或非神经细胞网络能够形成记忆。显然，大脑和神经不是记忆的最终答案。
虽然自由生活的单细胞（如果它们确实可以形成记忆）是否使用与脊椎动物相同的方法尚不确定，但它们似乎确实拥有相同的工具包。主要的硬盘嫌疑对象是 DNA 或蛋白质标签。其想法是，由于形成记忆的经历，像甲基这样的微小化学物质可以添加到 DNA 组蛋白（DNA 缠绕在其周围的蛋白质）或细胞中的其他蛋白质中或从中移除。
然后，这些物理标签使基因更有可能或更不可能被转化为蛋白质，通过物理方式改变它们对执行这项工作的酶的可及性，或者某些现有的蛋白质做或不做它们的工作，或者做得更好或更差，并且以某种这样的方式——有时是直接的，有时是极其复杂的——记忆可能会形成。如果 DNA 或蛋白质可以作为硬盘的想法似乎很奢侈，那么值得注意的是，单个蛋白质可能比我们预期的能力更强；至少最近的一份报告表明，单个蛋白质可能相当于果蝇中的一个可编程的六分钟定时器。
化学标签绝不是唯一的嫌疑对象。还有其他结构和机制（例如，细胞骨架，细胞外基质，生物电，甚至简单的蛋白质聚集）也可能被赋予编码记忆的任务。最近的一篇论文暗示粘菌的管子大小——例如，构成该生物体的巨大、肉眼可见的管子——可能是一个记忆库。任何给定生物体中的记忆形成都可能依赖于多个系统。各种生命形式可能依赖于方法的特征组合。
或者，也许，就像遗传密码一样，存在一个或多或少统一的系统。1962年，格尔伯写道：“简而言之，假设记忆印迹必须编码在生物大分子中……。可能编码新反应的生化和细胞生理过程在整个门类中是连续的（就像遗传密码一样），因此对于原生动物和哺乳动物来说，它们会非常相似。”
早在20世纪初，詹宁斯也感觉到并相信动物的行为运作通常是对单细胞生命中已经存在的系统的详细阐述。我们单细胞共同祖先中已经存在的学习和记忆系统也可能有助于解释最近的实验，这些实验暗示植物也可以学习和记忆。
一个更大胆的问题出现了：是否存在一个组织系统的系统？计算生物学家丹尼斯·布雷在他2009年的著作《湿件》中推测，细胞拥有蛋白质形式的神经元和联锁蛋白质级联形式的神经网络；连续的蛋白质碰撞改变了它们的目标（可能是其他蛋白质甚至基因）在一个网络中，沿着生物导线或电路传递和处理信息。细胞甚至可能有一些中央处理器（他的书的副标题是“每个活细胞中的计算机”）。
在动物中，他认为这可能位于中心体中，中心体是一个可以整合、评估和处理蛋白质流量的地方，这些蛋白质流量携带着关于细胞内外状况的信息，从而产生类似决策的东西。而做出决策的能力正是越来越多的证据似乎表明单细胞喇叭虫所具备的。
当然，其中大部分在证据方面仍然相当不确定。正如我所写的那样，生物学家正在隐约瞥见细胞真正令人震惊的复杂性（染色体外 DNA 环和DNA 中的暗物质只是另外两个例子），并且像一群在海上航行的船上的水手一样，兴奋地谈论着新发现的大陆的性质。但实际上，我们仍然一无所知。
鉴于（对我而言）令人震惊的缺乏共识，即使在动物大脑中，巴甫洛夫条件反射是如何运作的（这也让我觉得，自信地宣称自由意志是一种幻觉近乎鲁莽），我认为现在是我们抛弃对细胞能力先入为主的观念的时候了，而不是意外的实验结果。詹宁斯和格尔伯受到了或多或少相同的待遇，因为他们的批评者已经断定他们的结果是不可能的。借助分子革命的优势，我们现在看到，也许他们的结果并非如此牵强附会。
如果敏感植物可以学习，粘菌可以记忆，而喇叭虫可以做出决定——当然，非凡的声明需要非凡的证据——未来几年最令人兴奋的生物学前景之一将是发现它们究竟是如何做到的。我们可能会震惊地意识到，正如我们以前经历过的那样，它们与我们并没有那么不同。