單細胞生物被證實具備「高智商」行為！擱置百年的生物學大發現終於確認

席位有限，先到先得

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曾經，單細胞生命獨霸地球。

在大約 30 億年的時間長河裡，一代代單細胞生物只在彼此之間進食、生長和繁殖，在地球上的每個生態位上形成複雜而動態的生態系統。直到大約 6 億年前，一些單細胞生物才跨越了多細胞生物的界限。

在今天，單細胞生物是原始和簡單的代名詞。然而，一項最新研究表明，這些單細胞生物的能力可能遠遠超出它們的遠親人類的想像。

哈佛醫學院的系統生物學家通過重複一個多世紀前進行的一項實驗，現在拿出了令人信服的證據，證明至少一種名為Stentor roeselii的單細胞生物，具有複雜多樣的行為策略。

研究人員表示，反覆暴露在相同的刺激下，機體實際上可以就如何應對 「改變主意」，這表明它們有能力做出相對複雜的決策過程。研究結果在線發表在 12 月 5 日的《當代生物學》(Current Biology) 上。

圖 |S. roeselii在收縮（來源：Bill Porter/Harvard Medical School）

「我們的發現表明，單個細胞比我們通常認為的要複雜得多，」本次研究作者、哈佛大學布拉瓦特尼克研究所 (Blavatnik Institute at HMS) 系統生物學副教授 Jeremy Gunawardena 說，而這種複雜性在進化上是有道理的。

「像S. roeselii這樣的生物在多細胞生物出現之前，就是食物鏈頂端的食肉動物，它們在許多不同的水生環境中分布極為廣泛。它們必須聰明地弄清楚應該避免什麼，在哪裡吃，以及生物體為了生存必須做的所有其他事情。我認為很明顯，他們可以用複雜的方法來做到這一點。」Gunawardena 說。

時隔一個世紀的實驗

100 多年前，一位名叫 Herbert Spencer Jennings 的美國著名動物學家描述了一種名叫Stentor roeseli的單細胞淡水原生生物複雜多樣的迴避行為。但是後來相關的實驗未能重現他所看到的景象，他的說法便遭到質疑並被擱置一邊。

10 年前，在英國生物學家 Dennis Bray 的一次演講中，Herbert Spencer Jennings 在 1906 年發表的著作《低等生物的行為》中有一個特別的實驗引起了 Gunawardena 的注意。

Jennings 當時正在研究廣泛分布的淡水原生生物S. roeselii。這些單細胞生物以其相對較大的體積和獨特的喇叭狀身體而著稱。在這種生物的表面和喇叭 「鍾」 上布滿了被稱為纖毛的毛髮狀突起，能夠用來遊動，並在周圍的液體中產生漩渦，把食物掃進它們的「嘴裡」。在它們身體的另一端，它們藏匿著一個抓握器，這個抓握器把它們與周圍固定在一起，使它們在進食時保持靜止。

圖 |S. roeselii（來源：Current Biology）

Jennings 用顯微鏡、移液管和穩定的抓手仔細記錄了S. roeselii在接觸環境刺激物（一些粉末）時的行為。Jennings 觀察到一系列有序的行為，通常情況下，S. roeselii會反覆彎曲身體以避免粉末，如果刺激持續，它會逆轉纖毛的運動，用嘴巴將這些粉末驅逐。如果這個方法也失敗了，它就會收縮，迅速地把自己拉緊，像一些無脊椎動物縮回殼裡一樣。最後，如果之前所有的努力都失敗了，S. roeselii就會掙脫束縛，快速遊走。

這些行為構成了一個有序的策略，單細胞生物根據優先順序不斷改變應對方式。這一觀察結果表明，這種單核細胞生物，具有一些已知的最複雜的行為。

這個實驗引起了廣泛的興趣，但隨後的重複試驗，尤其是 1967 年發表的一項研究，都沒有成功。這也導致 Jennings 的發現在很大程度上遭到現代科學的質疑和遺忘。

大獲成功的 「兼職」 項目

就像原本生活在一個完全適宜居住的水坑裡的生物一樣，突然出現的粉末刺激讓 Gunawardena 感到不太舒服，於是他決定追蹤 1967 年的那項研究。

結果令他驚訝的是，他發現那些後來重複 Jennings 實驗的研究者，由於無法找到S. roeselii，便使用了另一種不同的物種Stentor couleus，而這種單細胞生物它更喜歡四處漂浮，而不是主動吸附食物。

Gunawardena 認為，他們沒能重現實驗結果也就不足為奇了。於是，他試圖準確地複製 Jennings 當年的實驗。但作為管理著一所專註於分子信息處理醫學實驗室的數學家，他發現很難說服身邊人。

「我一直在我的實驗室小組會議上提出這個想法，說它告訴我們一些關於單細胞的能力。我們不再以這種方式思考細胞是如何工作的，不出所料，沒有人感興趣。這是古老的歷史，這是描述性的生物學，所有這些年輕、聰明的學生都不願接觸的東西。」Gunawardena 說。

大約八年前，一名本科實習生 Joseph Dexter 也被這個想法所吸引，後來他成為 Gunawardena 的博士生，現在是英國達特茅斯大學 Neukom 計算科學研究所的研究員。Gunawardena 的堅持，最終讓 Dexter 的同事、現為英國劍橋大學研究組組長的 Sudhakaran Prabakaran 對這一發現也產生了興趣。

由於無法抑制的好奇心和歷史感，在沒有正式資助的情況下，他們三人開始了一個歷時數年的副業項目。

Dexter 和 Prabakaran 設計並進行了實驗，他們的第一個挑戰是找到S. roeselii。他們到處尋找，甚至跑到當地的池塘里搜尋。最終，他們在英國找到了一家供應商，這家供應商從一個高爾夫球場的池塘採購生物，然後把它們運到大西洋對岸。

研究小組建立了一個實驗裝置，裝備了視頻顯微鏡和微定位系統，以準確地傳送刺激物到S. roeselii的 「嘴巴」 附近。他們最初使用胭脂紅粉，但幾乎沒有反應，經過反覆試驗，發現微型塑料珠是有效的。

令他們高興的是，這三人成功地再現了 Jennings 百年前曾經描述過的所有行為。

但是，他們並沒有看到 Jennings 所記錄的熟練有序的行為層次。相反，這些實驗對象之間似乎存在著相當大的差異，一個樣本在收縮前可能會彎曲和改變其纖毛，另一個樣本可能只會反覆收縮，而另一個則會交替彎曲和收縮。

為了進一步探究現象背後的原因，這三個人依靠他們作為定量生物學家的核心專業知識，開發了一種方法，將他們看到的不同行為編碼成一系列符號，然後使用統計分析來尋找規律。

肉眼觀察的失敗，卻意外通過這三個人的數學知識獲得了發現，分析顯示，這些單細胞生物確實存在一個行為遞進策略。當面對刺激物時，S. roeselii通常會同時彎曲和改變它的纖毛。如果刺激持續，它就會收縮或掙脫，然後遊走。後一種行為幾乎總是發生在前一種行為之後，而且這些生物在沒有首先收縮的情況下從不掙脫，這表明了存在一種優先順序的行為順序。

圖 | 面對刺激物，S. roeselii首先會彎下身子，改變纖毛的跳動，將微粒用口腔驅逐（來源：Dexter et al, 2019）

圖 | 如果彎曲和纖毛改變不夠，S. roeselii將收縮，掙脫和遊走（來源：Dexter et al, 2019）

「它們先做簡單的事情，但如果你繼續刺激，它們 「決定」 嘗試其他事情。S. roeselii沒有大腦，但似乎有某種機制，實際上，一旦感覺刺激持續太久就會讓它『改變主意』。」Gunawardena 說，「這種層次結構給人一種形象的感覺，讓人感覺這個單細胞生物內部正在進行某種相對複雜的決策計算，權衡執行一種行為與執行另一種行為哪個更好。」

新的發現

通過成功地重複 Jennings 的實驗，並對S. roeselii的行為能力進行新的定量觀察，研究小組希望它已經解決了歷史上關於 Jennings 發現的準確性的困惑。

但現在的結果引發了許多新的問題。

分析表明，對於一個個體S. roeselii來說選擇收縮或分離，幾乎有一個完全相等的概率。對於研究細胞如何在分子水平上處理信息的科學家來說，這是一條特別誘人的線索。

研究人員表示，這兩種行為之間的決定是一致的，每個生物體獨立地拋一枚無偏的硬幣，而不考慮之前的行為。

「某種程度上，是基於它的決定，在分子水平上基於公平的拋硬幣，我想不出任何已知的機制可以讓他們實現這一點。這是令人難以置信的迷人之處，Jennings 從未觀察到過，是因為需要定量測量來揭示它。」Gunawardena 說。

視頻 |Stentor roeselii面對外界刺激時的應對策略（來源：James Weiss/Harvard Medical School）

觀察到單個細胞能夠做出複雜的行為，同樣對於生物學的其他領域具有重要價值。例如，在發育生物學或癌症研究中，細胞所經歷的過程通常被稱為程序，Gunawardena 表示，這表明細胞被 「編程」 去做它們所做的事情。「但是存在於一個非常複雜的生態系統中的細胞，它們在某種程度上彼此交流和協商，對信號做出反應並做出決定。」

Gunawardena 認為，這個實驗迫使我們去思考，某種形式的細胞 「認知」 的存在，在這種認知中，單個細胞能夠處理複雜的信息並做出相應的決策。所有生命都有相同的基礎，最新研究結果至少為我們提供了一個證據，說明為什麼我們應該拓寬視野，把這種思維納入現代生物學研究。

「這也說明，有時候我們往往會忽視一些事情，不是因為它們不存在，而是因為我們認為沒有必要去關注它們。我認為這就是這項研究如此有趣的原因。」Gunawardena 說。

-End-

參考：

Prabakaran S, Dexter J, Gunawardena J. A complex hierarchy of avoidance behaviours in a single-cell eukaryote[J]. 2019.

https://hms.harvard.edu/news/unexpected-depths

https://www.eurekalert.org/pub_releases/2019-12/cp-cas112619.php

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