Одноклеточный организм без мозга был способен к условным рефлексам.

Простой одноклеточный организм без мозга и нейронов оказался способен к сложной форме обучения.

Самая простая форма обучения — привыкание — предполагает постепенное ослабление реакции на повторяющийся безвредный стимул, например запах или звук. Это свойственно всем животным и наблюдается даже у растений. Более того, некоторые простейшие проявляли привыкание, хотя и состояли из сложной эукариотической клетки, но только из одной. К ним относятся инфузория Stentor coeruleus и слизевик Physarum polycephalum.

Гораздо сложнее научиться связывать разные типы стимулов или событий и предсказывать, что одно влечет за собой другое. Такое ассоциативное обучение наиболее известно из опытов Ивана Павлова, который совмещал звон колокольчика с кормлением собак, в результате чего у животных начиналось выделение слюны, когда они слышали звонок.

В Гарвардском университете провели серию аналогичных экспериментов по развитию условных рефлексов у одноклеточных животных, их результаты были размещены в виде препринта на сайте bioRxiv. Эксперименты показали, что Стентор, похоже, способен к Павловскому обучению.

Эти удивительные организмы живут в прудах и передвигаются с помощью рядов волосообразных ресничек, которые проходят по бокам их тел. Достигая 2 мм в длину, они являются настоящими гигантами среди одноклеточных организмов. На одном конце они имеют якорь — подошву (орган прикрепления), с помощью которого они прикрепляются к поверхности, на другом — трубчатый ротовой аппарат.

"Однажды прикрепившись, они просто питаются, отфильтровывая пищу. Если их потревожить, они моментально сжимаются в комок. В этом состоянии они не могут питаться, поэтому с экологической точки зрения им невыгодно слишком часто реагировать таким образом, только в случаях крайней необходимости", - объясняет профессор Сэм Гершман, возглавлявший исследование.

Как проходили эксперименты

Эта функция использовалась, чтобы выяснить, насколько сложному поведению может научиться Стентор. Экспериментаторы с силой ударяли по дну чашек Петри, где находились культуры нескольких десятков инфузорий. В ответ большинство организмов сначала быстро сократились, но по мере того, как шоки продолжались, реакции наблюдались у все меньшего и меньшего количества людей.

На следующем этапе культуры Stentor подвергались слабому удару (на который обычно реагирует сокращением меньшее количество организмов), а через секунду - сильному удару. Пары ударов повторялись каждые 45 секунд — примерно столько времени требуется трубачам, чтобы снова выпрямиться после сжатия.

За 10 циклов этой процедуры вероятность заражения организмов сразу после слабого шока сначала увеличивалась, а затем уменьшалась. "Мы увидели всплеск на графике: частота сокращений сначала повышается, а затем снижается. Если представить только слабый удар сам по себе, этого не происходит", - отмечает Гершман.

Исследователи полагают, что Стентор связал слабый удар с последующим более сильным, что сделало его первым протистом, способным к ассоциативному обучению.

«Это заставляет нас задаться вопросом, способны ли, казалось бы, простые организмы на аспекты познания, которые мы обычно связываем с гораздо более сложными многоклеточными существами с мозгом», — говорит Гершман.

Это также указывает на древнее эволюционное происхождение ассоциативного обучения — за сотни миллионов лет до появления многоклеточных нервных систем, добавляет он. Следы этого все еще могут быть очевидны в том, как наши нейроны, по-видимому, способны учиться на входящих сигналах, не изменяя синапсы и не создавая связей между нейронами - хотя обычно это считается основой большинства обучения, объясняет профессор.

Возможное объяснение

«Удивительно, что одна клетка может делать такие сложные вещи, которые, как мы думали, требуют мозга, нейронов и поведенческого обучения», — говорит биофизик Шашанк Шекхар из Университета Эмори в Атланте, который ранее показал, что стенторы могут образовывать недолговечные группы для более эффективного питания.

По его мнению, к ассоциативному обучению могут быть способны и другие одноклеточные организмы: «Мне интуитивно кажется: если эта способность возникла однажды, она возникнет и у других».

Если организм учится, значит, он должен каким-то образом хранить память. Как именно это происходит у Стентора, пока неизвестно, но Гершман подозревает, что в этом участвуют рецепторы, которые реагируют на прикосновение, позволяя ионам кальция проникать в клетку, что изменяет внутренний потенциал и заставляет простейших сокращаться. Возможно, что при повторяющихся стимулах некоторые рецепторы каким-то образом модифицируются, действуя как молекулярный переключатель, останавливающий сокращение.