大虎说事

王大虎:向多细胞动物演化的智慧有机复合体

王大虎

与大脑一样具有“思考能力”的X菌

记忆、决策、预测变化,解决迷宫问题、模拟人造运输网络设计、挑选食物,似乎这是人或者大型动物的专利。不可思议的是X菌团却能做到这些需要思考的问题,但它们并没有大脑及神经系统。这一现象不得不让科学家深疑,智能的本质究竟是什么?

一种叫做“dictyoselids”的单细胞X菌,在食物缺乏时,便汇集成一种为“伪原质团(pseudoplasmodium)”的多细胞实体,从而有效地保护食物资源。一旦伪原质团发现合适的食物资源,便定居下来,形成包X许多孢子的延长主茎。独立的孢子受X菌类影响处于蛰服状态,一旦再次出现食物来源的时候,它们便会进入活跃状态。在进食状态中,独立的X菌细胞会进行一个噬菌作用过程,dictyoselids会通过它们的伪足围绕在猎物周围。这些伪足是细胞膜的延伸,它们在叫做液泡的间隔中进行内在化处理。当吸收完营养物质后,液泡中的酶会消化细菌。

 

图116 随着时间的推移,一种单细胞X菌会变得更强大。图片中白色部分是X菌,它被一个酵母细胞(图片中红色部分)所吞没,绿色部分是液泡。(图片及参考资料来源:《动物奇特进餐方式苍蝇吃前先“吐”》新华网,2011年09月11日)

最小的农夫:一些阿米巴变形虫号称最小的农夫。美国得克萨斯洲休斯敦莱斯大学的研究者布拉-布罗克(Debra Brock)认为:“当盘基网柄菌阿米巴变形虫在一块土壤上缺少细菌来食用时,这些单细胞生命体就开始互相‘交谈’,并且聚集在一起。当有大约10万的阿米巴聚集在一起,它们就会形成一个子实体。”结果,这些子实体的茎杆树立在风中,并且可以释放携带着阿米巴变形虫的孢子,这些孢子转变回阿米巴变形虫和一些少量的细菌“种子”。研究者发现,阿米巴不会迁移前吃掉所有的细菌食物,而是在部分食物留在壳中。当这些孢子落地后,释放这些阿米巴变形虫和少量细菌种子,它们的食品菌种被播种在新的居住地自己生长,以供它们食用。

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X菌虽然叫做“菌”,却跟真菌、细菌没什么关系,而是一种胶状的变形虫,它们会破坏酵母菌和面包,X菌在6亿年或者10亿年前就出现在了地球上,那时候,还没有进化出大脑或简单神经系统的生物。科研人员发现X菌的行为让其看起来更有智慧,尤其是其中一种被称为“海绵宝宝”的黄色多头绒泡菌(Physarum polycephalum),人们经常会在后院里的X与腐烂的木头上发现这种像海绵的黄色物质——X菌。在野生状态下,多头绒泡菌沿着树叶X寻找食物,并在走过的地方留下X。一旦发现细菌、真菌孢子及其他微生物,它们就像变形怪物那样,包围住猎物并把它们消化掉。X菌喜欢的食品由2/3蛋白质和1/3碳水化合物构成。法X尔·萨巴蒂大学的奥德丽·达苏特把X菌放在不同食物的中心,每种食物的蛋白质和碳水化合物比例都不同,实验结果显示它们只挑自己喜欢的那块食物。

 

图117 粘菌虫阿米巴结成子实体,使得它们可以移居别处(图片及参考资料来源:《最小“农夫”阿米巴变形虫搬运种植“种子”》腾讯科学探索,2011年1月21)

通常,多头绒泡菌像是由许多个体组成的一个大集体,它们互相合作、寻找食物,实际上,它们都是作为一个单细胞独自生活的。这一个细胞中包含了数百万的核酸、DNA小液囊、酶和蛋白质,一个细胞就是一个变形专家。多头绒泡菌会呈现不同的形状,这取决于它生长的位置和方式:如果在森林里,它可能长得很胖,变成一个巨大的黄色的球;也可能很不起眼,在树叶下面留下一片芥末似的黄斑。而在实验室培养皿中,它们会沿着琼脂变成薄薄一层,并长出像珊瑚似的漂亮分枝。

研究表明,X菌黏菌具有“思考能力”,可以自己“组织”在一起,可巧妙穿越迷宫最直接有效地寻找到食物,同时它们可以有效地避开光线的伤害,甚至它们还能够记忆并避开危害物。它们有选择地接受有利于生存的环境,并各种资源之间寻找着最佳路线。它们拥有记忆,并能够预测并加以决策。

黏菌在数亿年进化过程中逐步形成了处理危险环境的能力,它们的“信息处理”能力无法让人相信是由单细胞微生物能够完成的。”对于建立在复杂的大脑基础上的智能而言,X菌颠覆我们所理解的传统智慧生命体。

2000年,日本科学家中垣俊之和三枝哲等人把一个多头绒泡菌切碎后撒在一个塑料迷宫中,实验结果显示它们开始生长后去寻找其他同伴,然后迅速充满了整个迷宫。研究人员又在迷宫入口处和出口处分别放了几块琼脂,4小时后,X菌就开始从那些没有出口的路上撤回,只沿着两块食物之间的最短路径生长。

 

图118 这是死树干上黏菌的行进路线,这种拥有亿年进化历史的微生物可以“网络”状分布巧妙地避开障碍和危险物寻找到食物。(图片及部分参考资料来源:《黏菌具有“思考能力”可巧妙穿越迷宫》腾讯科技,2011年12月30日)

 

图119 (图片及参考资料来源:《大脑是唯一的智能基础吗?》科技日报,2013年03月26日,图片由澳大利亚悉尼大学克里斯·雷德说雷德小组提供。)

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2012年10月,澳大利亚悉尼大学克里斯·雷德说雷德小组也发表了论文,揭示当多头绒泡菌沿着迷宫或森林的地面爬行时,会在身后留下半透明的X。寻食X菌会避开它已经通过的X区域。雷德推测,这种胞外X是X菌外部化的空间记忆,对它们起着提示作用,以便开拓新的地方。为验证这一观点,研究者把多头绒泡菌放在培养皿中,并在它们与食物之间放一个干燥的醋酸纤维做的U型障碍物。X菌无法黏在上面或在上面爬行,只能沿着U型轮廓走才能找到食物。结果,实验中的24个X菌中,有23个都到找到了食物。而在第二次实验中,雷德先用X菌的胞外X把培养皿涂了一层,然后再把X菌放进来,结果只有8个找到了食物。这说明先前涂好的X误导了他们,让X菌无法做标记来区分道路,通常多头绒泡菌在迷宫用X标出迷宫入口,然后再记得哪条路是死胡同。

X菌还能解决交通网络这样更复杂的问题。2010年年初,研究人员按照一些国家城市地图,在城市的位置放了它们喜欢的燕麦片等食物,然后将X菌放置在中间位置。一开始,X菌均匀地以蔓状结构扩散开来,几小时之后,X菌开始重新布局,一些不太符合效率的通道逐渐收缩变细,直至消失。26小时之后,X菌成功地建立了一个相互连接的有效的营养输送网络。神奇的是,X菌建立的这个网络与几乎与人造的地铁及公路、铁路线完全一致,将东京、欧洲和加拿大的大型中心城市连在一起,甚至一些地方显得更为便捷有效!这表明这种单细胞的无脑变形虫就像是个工程设计师,能够思考并计算,以效率最高的方式在食物之间安排路线,找到两块食物之间的最经济的途径,以节省精力。

 

图120 会“设计”地铁线路的X菌海洋深处的“潘多拉星球”,还有许多谜团待人类揭开。(图片及参考资料来源:《阿米巴菌:高超的交通系统设计师》外滩画报,2010年2月4日)

英格兰布里斯托尔西部大学的安德鲁·爱德玛斯基等人提出,X菌可以帮人们设计未来的铁路建筑!其实在现实中,很多动物及计算机程序也借鉴其决策过程。

对环境的记忆:科学家做的另一项实验表明,X菌团队,还有自己的内部时钟来分配时间和空间,并记忆生存环境的变化,做好预测X动作。在日本科学家三枝哲的实验中,他们将琼脂盘放在温暖X的环境里(X菌喜欢X环境),然后在琼脂上刻下一些沟槽,然后把多头绒泡菌放在沟槽里爬行。每隔30分钟,研究者就突然降低温度和湿度,让它们处在干冷环境中。由于X菌不喜欢这种环境,它们会本能地减慢爬行以节约能量。经过几次反复环境训练后,研究人员发现即使不改变环境,X菌的爬行速度还是习惯性的每隔30分钟就慢下来一次,很久后这种有节奏的自发的减速才停止。把时间间隔改为60分钟和90分钟,效果同样。虽然大约只有半数的X菌在环境不变时显出了自发减速,但它们的表现不再依靠X。三枝哲推测说,它们只能依赖某种内部的机制,这也许和细胞质的类似于脉搏的跳动有关。X菌的膜能够有节奏地收缩舒张,使细胞质在膜内不断流动。当遇到食物时,膜的脉动会加快并X,使更多细胞质流向食品区域;当遇到某种障碍时,比如亮光,脉动就会变慢,而细胞质会移向其他区域。虽然不知道原因,但X菌团会一直保持这种有节奏的脉动,形成一种简单的自己的“时钟”脉搏,让它能预测可能发生的事件。

王大虎

中国中山大学的林永成教授是研究海洋微生物方面的专家,他提出:“也许微生物在通过‘生物场’彼此沟通了信息。”在我们的生活中,比如孪生子的心灵感应、家庭夫妻相,似乎都是来源于生物的向外发散着的某种“信息场”。林永成教授在工作当中还遇到了不少有这种心灵感应的微生物现象。比如有一种海洋费氏弧菌:如果它单独待着的时候很平常,但是当一X弧菌凑到了一起,它们就会一起发出光来。研究人员发现,是因为弧菌们凑到一起的时候会彼此发送一种信号,这种信号会X它们发出光来。他认为“要想搞清楚‘生物场’是否真的存在,必然要从微生物的世界去找答案。”因为人是很复杂的生命体,每个人的身上有几百万亿个细胞,这就决定了普通人对身体当中一些简单的反应已经很难察觉到了。而细菌的世界则要简化而单纯得多,“生物场”的作用在它们身上也可以被放大。

当然这种现象不仅体现在动物细胞及细菌领域而且植物似乎有自己的交谈方式。

我们把多细胞微生物的合作方式,称作有机复合体。

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