Môžu sa jednobunkovce učiť?
Bolo to v októbri 1960 a Beatrice Gelber otvorila zariadenie s názvom Institute of Basic Health Research Institute v Tucsone v Arizone. Gelber, ktorú noviny označili za „nadšeného psychológa“, novinárom vysvetlila, ako objavila neočakávané správanie u prvoka zvaného Paramecium aurelia. Tvrdila, že tento jednobunkový organizmus preukázal schopnosť učiť sa, čo sa všeobecne považovalo za výkon obmedzený na vyššie organizmy, ako sú cicavce a vtáky.
Gelber sa k vede dostala pomerne neskoro, potom, čo najmladšie z jej troch detí vyleteli z hniezda. Počas doktorandského štúdia na Indiana University v Bloomingtone sa začala zaujímať o zjavne zložité správanie Paramecium aurelia a začala trénovať bunky tak, aby spájali stimul s odmenou. Podobne ako to podmienil slávny fyziológ z 19. storočia Ivan Pavlov. Umiestnila kultúru Paramecia aurelia do malého bazénika na podložnom sklíčku mikroskopu a potom vložila kúsok drôtu pokrytého baktériami - jedlo z pohľadu prvoka - a sledovala, ako jej subjekty, hoci boli spočiatku plaché, čoskoro priplávali. Po niekoľkých pokusoch zistila, že môže dať do bazénika iba drôt očistený od akýchkoľvek baktérií a vyvolať rovnaké správanie pri hľadaní potravy.
Podľa Gelberovej experimenty preukázali, že Paramecium aurelia sa učil spájať drôt s jedlom. Bol to záver, ktorý spochybnil presvedčenie vedcov, že takého správania sú schopné iba vysoko vyvinuté mnohobunkové zvieratá s centrálnym nervovým systémom. Zásadnejšie je, že jej výsledky naznačujú, že aspoň časť biologického aparátu potrebného na učenie a ďalšie kognitívne procesy nemusí existovať v spojeniach medzi neurónmi, ale v samotných jednotlivých bunkách.
„Je možné, že biochemické a bunkové fyziologické procesy, ktoré kódujú nové reakcie, prebiehajú prostredníctvom fyly,“ špekulovala Gelber v práci z roku 1962, „a preto môžu byť podobné pri prvokoch aj cicavcoch.“
Jej závery podráždili širšiu vedeckú komunitu. Zatiaľ čo niektorí kolegovia sledovali jej nápady so záujmom, mnoho kritikov tvrdilo, že jej experimenty vynechali nevyhnutné kontroly potrebné na vylúčenie iných, jednoduchších vysvetlení jej výsledkov, ako je napríklad tropizmus - v podstate automatická reakcia alebo pohyb organizmu vo vzťahu k stimulu.
Keď zomrela v roku 1991, práce Gelberovej sa takmer stratili z dohľadu. Nenájdenie jej mena v akademických prácach v rokoch 1980 až 2020 naznačuje, že sa v tom období o nej takmer nehovorilo. Avšak teraz, sedem desaťročí po začatí jej experimentov, skupina vedcov z Harvardovej univerzity tvrdí, že jej nápady si zaslúžia oživenie. „Myslím si, že Gelber skutočne niečo mala,“ hovorí Sam Gershman, kognitívny neurovedec z Harvardu, ktorý je spoluautorom nedávneho preskúmania Gelberovej práce prostredníctvom eLife. Poznamenáva, že vidí paralely medzi jej myšlienkami a tým, ako niektorí výskumníci v súčasnosti uvažujú o ukladaní informácií v jednotlivých neurónoch (namiesto v synapsách).
Pamäť ako stav bunky
Okrem niekoľkých nedávnych experimentov s učením v jednobunkových organizmoch existuje niekoľko zbiehajúcich sa línií dôkazov od mnohobunkových organizmov, ktoré podľa Gershmana naznačujú, že aspoň niektoré typy pamäte môžu byť kódované do intracelulárnych zmien, ako napríklad epigenetické úpravy DNA alebo zmeny v genetických regulačných sieťach. Dodáva, že predstava, že by sa jednobunkové tvory mohli učiť, „medzi niektorými biológmi nie je obľúbená “. Dúfa, že otvorenejší prístup by mohol pomôcť vedcom identifikovať všeobecné pravidlá týkajúce sa toho, ako sa v živočíšnej ríši vyskytuje zložité správanie a nakoniec lepšie pochopiť, čo to učenie a pamäť skutočne sú.
Psychologička Beatrice Gelberová uskutočnila v 50. a 60. rokoch experimenty na testovanie asociatívneho učenia v Paramecium aurelia. Vo svojich hlavných skúškach (horný rad) uviedla, že zatiaľ čo jednobunkové prvoky (zelené) ignorovali holý drôt ponorený do podložného sklíčka mikroskopu, priplávali, keď obalili drôt baktériami (červenými), ktoré Paramecium zje. Po niekoľkých takýchto opakovaniach vložila holý drôt späť do kvapaliny a uviedla, že prvoky stále priplávali, čo jej naznačuje, že sa naučili spájať drôt s jedlom.
Gelberová spustila kontrolné pokusy, aby sa pokúsila vylúčiť ďalšie vysvetlenia: v jednom nepredložila počas tréningového obdobia drôt ani jedlo (spodný riadok); v ďalšom predstavila holý drôt namiesto drôtu pokrytého baktériami (stredný rad). Ani jeden z kontrolných pokusov neviedol k učeniu.
Jej kritici uviedli, že nedokázala kontrolovať ďalšie mätúce faktory, ako sú zmeny kvapaliny spôsobené baktériami. Mnoho ďalších vedcov jej objavy odmietlo s odôvodnením, že je fyziologicky nepravdepodobné, že by sa taký biologicky jednoduchý organizmus mohol vôbec učiť.
Dôkazy pre jednobunkové učenie
V centre sporu o testoch učenia sa v jednobunkových organizmoch je ústredná odveká obtiažnosť navrhnúť experiment, ktorý jasne odlišuje jedno vysvetlenie výsledku od druhého. V prípade Gelberovej to znamenalo preukázať, že jej prvoky prispôsobovali svoje správanie nejakému novému stimulu, pretože si ho spojili s konkrétnou odmenou, a nie preto, že by inštinktívne reagovali napríklad na chemické alebo iné signály z baktérií alebo drôtu. Experimenty, ktoré vykonali jej kritici, dospeli k záveru, že zistenia Gelberovej sú nereprodukovateľné - avšak podľa Gershmana mali svoje vlastné problémy.
„Kritika uviazla,“ hovorí Gershman, „pretože sa zakladala na predpojatosti ľudí a ich predpoklade, že jednobunkové organizmy sa jednoducho nemôžu učiť.“
Tieto experimentálne výzvy sú stále k dispozícii výskumníkom, ktorí sa zaujímajú o hľadanie príkladov učenia sa mimo mnohobunkových zvierat - niečo, s čím sa Jeremy Gunawardena, systémový biológ na Harvardskej lekárskej fakulte a spoluautor práce eLife spolu s Gershmanom oboznámili, keď jeho laboratórium začalo pracovať s jednobunkovými nálevníkmi v tvare rúry - Stentor roeseli.
Rovnako ako Gershman, aj Gunawardena hovorí, že ho fascinuje, ako jednobunkové organizmy spochybňujú chápanie vedcov a ich pohľad na učenie. Na preskúmanie nových myšlienok sa jeho tím rozhodol replikovať experimenty Herberta Spencera Jenningsa, zoológa, ktorý študoval Stentor roeseli desaťročia predtým, ako Gelberová začala pracovať na Paramecium aurelia. Použitím karmínového farbiva ako dráždidla zistil Jennings rôzne reakcie pri opakovaných expozíciách, čo mu naznačovalo, že sa Stentor roeseli nejakým spôsobom učili z minulých skúseností. Jeho zistenia, rovnako ako Gelberovej, boli v polovici 20. storočia kritizované a považované za nereprodukovateľné - ale hlavní kritici Jenningsa pri reprodukovaní nepoužili rovnaký druh Stentor roeseli.
Vo svojej vlastnej štúdii Gunawardena a jeho kolegovia použili ihlu na dodanie polystyrénových guľôčok, čo je dráždidlo, pri ktorom tím zistil, že je efektívnejšie pri vyvolávaní odpovede na bunky Stentor roeseli ako karmínové farbivo. V reakcii na to prvoky vykazovali rôzne vyhýbacie chovania, ako napríklad ohýbanie sa od guľôčok, skrútenie alebo úplné odplávanie. Vedci zistili, že bunky akoby vykazovali behaviorálnu hierarchiu - spočiatku reagovali menej dramatickými spôsobmi, ako napríklad jemné ohýbanie, ale na ďalšiu provokáciu reagovali plávaním alebo sťahovaním. Aj keď správanie nebolo také komplexné ako asociatívne učenie pozorované u zvierat, ako sú Pavlovove psy, zo zistení vyplýva, že Stentor roeseli prispôsobovala svoje odpovede na základe svojich predchádzajúcich skúseností. Publikovali to v článku v roku 2019 v časopise Current Biology. Zdá sa, že Jennings bol obhájený.
Ďalším jednobunkovým organizmom, ktorý zjavne vykazuje určitú elementárnu formu učenia, je slizovitá forma Physarum polycephalum. Je to nezvyčajný jednobunkový organizmus v tom, že môže obsahovať viac jadier, vysvetľuje Audrey Dussutour, biologička na Univerzite v Toulouse a Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) vo Francúzsku. Pred niekoľkými rokmi jej tím ukázal, že táto forma vykazuje typ neasociatívneho učenia, ktorý sa nazýva návyky, pri ktorom si organizmus zvykne na určitý podnet a prestane naň reagovať. Mnohobunkovým príkladom by mohla byť myš, ktorá po prekvapení náhlym hlasným zvukom reaguje čoraz menej na ten istý zvuk, akonáhle ho počuje.
Dussutourovej skupina ukázala, že Physarum polycephalum si zvykol na chinín a kofeín - dve zlúčeniny, ktorým sa slizová pleseň bežne vyhýba - ak boli tieto zlúčeniny umiestnené na most, ktorý plesni umožňoval prístup k jedlu. Trvalo dlho, kým plesne začali skúmať cez potiahnuté mosty, hovorí Dussutour, ale akonáhle to začali robiť, zdá sa, že im prestali vadiť podnety, ktorým sa predtým vyhýbali. Dodáva, že v súlade s pozorovaniami zvykov u mnohobunkových živočíchov si plesne „obnovili“ svoju averziu voči zlúčeninám, ak prešlo pár dní bez toho, aby sa s nimi stretli. Tím vykonal dôkladné kontrolné pokusy, aby ukázal, že zvyk bol pre tieto zlúčeniny špecifický, nielen únavová reakcia na senzorické preťaženie.
Inšpirovaní pokusmi Herberta Spencera Jenningsa na začiatku 20. storočia, výskumníci z Harvardskej lekárskej fakulty nedávno testovali druh behaviorálnej adaptácie nazývaný behaviorálna hierarchia na prvokovi Stentor roeseli. Dráždili bunky, ktoré sa usadili na sklíčku mikroskopu (1), podávaním polystyrénových guľôčok každých pár minút. Zistili, že Stentor roeseli sa správali rôzne v závislosti od toho, čo sa stalo predtým. Živočíchy najskôr reagovali ohnutím od perličiek (2) alebo bitím ich mihalníc (3). Ale po chvíli urobili dramatickejšie kroky - stiahli sa (4) alebo nakoniec odplávali (5). Vedci vo svojej práci uvádzajú, že správanie, hoci nejde o zložitú formu učenia, naznačuje, že Stentor roeseli rozhoduje o tom, čo robiť na základe predchádzajúcich skúseností.
Experimenty vedcov z CNRS vo Francúzsku naznačujú, že jednobunková slizovka Physarum polycephalum, ktorá sa pohybuje vyčnievaním okrajov svojho tela, vykazuje jednoduchú formu neasociatívneho učenia, ktorá sa nazýva habituácia. Pleseň pestovaná v miske spojenej mostom s tanierom jedla bude bežne rásť cez most (1). Výmena normálneho mostíka za mostík pokrytý látkou, ktorej sa slizová forma zvyčajne vyhýba, ako je napríklad chinín (fialová), drasticky obmedzuje pohyb formy po moste. Po niekoľkých dňoch stretávania sa s chinínmi pokrytými mostami si však forma zvykne a rastie nad nimi takmer rovnako bežne (3). Táto zmena správania nie je trvalá - ak forma opäť narazí na normálne mosty (4), zdá sa, že zabudne na svoje návyky, a neskôr prejaví rovnaké averzné správanie pri stretnutí s iným mostom pokrytým chinínom (5).
Existencia týchto štúdií a niekoľko ďalších štúdií o takejto kontroverznej téme je dôkazom toho, ako sa mení diskusia o neštandardnom poznávaní.
„Pred desiatimi rokmi by ste v eLife a Current Biology nevideli články o učení v jednobunkovom organizme,“ hovorí Dussutour. „Naozaj si myslím, že ľudí to zaujíma.“
Nie všetci sú napriek tomu presvedčení, že je to správny smer. Niektorí biológovia naďalej považujú prvoky za prístroje reagujúce na stimul, ktoré sa možno zdajú byť schopné sofistikovaného správania, ale skutočne existujú zjednodušené mechanistické vysvetlenia tohto správania.
Judith Van Houten, biologička na univerzite vo Vermonte a odborníčka na Paramecium aurelia, nedávno napísala Gershmanovi, že považuje Gelberove pokusy za chybné a že tvrdenia o asociačnom učení sú nezlučiteľné s pochopením tohto prvoka vedou. Odmietla rozhovor pre tento článok, ale v e-maili pre denník The Scientist píše, že „všetky štúdie správania Paramecium aurelia musia vychádzať z ustáleného chápania ich fyziológie, ktoré je založené na elegantných a dlhodobých štúdiách z celého sveta.
Hľadanie intracelulárnych mechanizmov pamäte
Učenie sa zvyčajne vyžaduje určitý druh ukladania informácií o životnom prostredí, takže jedným zo spôsobov, ako vedci podobní Gershmanovi dúfajú v posunutie diskusie vpred, je skúmanie možných mechanizmov, pomocou ktorých by sa mohli vytvárať spomienky v jednotlivých bunkách - či už ide o jednobunkový organizmus plávajúci v mláke alebo samostatná bunka v rámci mnohobunkového zvieraťa. Zahrnutie týchto dvoch typov do jednej kategórie nie je také výstredné, ako by to mohlo znieť, hovorí Gunawardena. „Mnoho buniek je univerzálnych.“
Poznamenáva, že napríklad Paramecium aurelia produkuje akčné potenciály založené na vápniku v reakcii na určité podnety a používa receptory pre GABA, dobre študovaný neurotransmiter u mnohobunkových zvierat, a preto sa vo vedeckej literatúre často označuje ako „plávajúci neurón“.
„Myslím, že ak by sme chceli odhaliť mechanizmy v jednobunkových organizmoch, mohli by rovnaké mechanizmy fungovať aj v mnohobunkových organizmoch.“ Gunawardena dodáva, že jeho laboratórium tiež plánuje experimenty s adaptáciou správania a zvykmi v izolovaných bunkách cicavcov.
Jedným z kandidátov na druh univerzálneho vnútrobunkového ukladania informácií, je RNA, ktorá sa produkuje a modifikuje počas celého života organizmu. Myšlienka, ktorá bola doteraz skúmaná predovšetkým v jednoduchých mnohobunkových, a nie jednobunkových organizmoch, vznikla v 60. rokoch, keď biológ James McConnell tvrdil, že môže prenášať spomienky medzi červami odobratím molekúl RNA jednému jedincovi a jeho vstreknutím inému. Výskum opäť považovala väčšina vedeckej komunity za nereprodukovateľný a čoskoro sa vytratil z hlavného vedeckého diskurzu.
Medzi laboratóriami, ktoré sa tento koncept vrátili, je skupina Coleen Murphyovej z Princetonskej univerzity. Murphy a jej kolegovia študujú červa škrkavku C. elegans, ktorá sa môže naučiť vyhnúť sa nebezpečným baktériám vo svojom prostredí po tom, ako je vystavená týmto baktériám. V predtlači zverejnenej na serveri bioRxiv na konci minulého roka tím uviedol, že červ, ktorý sa nestretol s nebezpečnou baktériou, sa napriek tomu môže naučiť vyhnúť sa jej, a to tak, že je vystavený namletým kúskom iných červov svojho druhu. Vedci identifikovali drobné častice, ktoré, zdá sa, obsahujú RNA ako rozhodujúce pre tento prenos pamäte - hoci pre genetiku nebolo dostatok genetického materiálu na sekvenovanie.
Ďalší tím, ktorý viedol David Glanzman z Kalifornskej univerzity v Los Angeles (UCLA), pred pár rokmi uviedol dôkazy o tom, že RNA pravdepodobne obsahuje aspoň niektoré typy spomienok v kalifornských morských slimákoch Aplysia californica. V jednom súbore experimentov tím extrahoval RNA z nervových buniek slimákov, ktoré zažili elektrický šok, a túto RNA injekoval do slimákov, ktoré nezažili šok. Po podaní injekcie sa slimáky príjemcu, rovnako ako ich darcovia, správali opatrnejšie a po poklepaní výskumným pracovníkom vykazovali dlhšie ukrytie v porovnaní so zvieratami, ktoré dostali injekciu RNA z nešokovaných slimákov. Navyše kultivované nervové bunky slimáka Aplysia californica ošetrené RNA zo šokovaných slimákov boli ľahšie excitované elektrickým prúdom ako nervové bunky ošetrené RNA z nešokovaných slimákov.
Glanzman a jeho kolegovia špekulovali, že extrahovaná RNA môže prenášať pamäť medzi organizmami vyvolaním epigenetických zmien v DNA neurónov prijímajúcich slimákov a následnou zmenou správania zvierat. „Už existuje niekoľko štúdií, ktoré ukazujú zmeny vo vzorcoch metylácie DNA alebo modifikáciách histónov u stavovcov počas rôznych úloh spojených s učením,“ poznamenáva Gershman, aj keď dodáva, že neurológovia zvyčajne predpokladajú, že tieto epigenetické zmeny budú hrať podpornú úlohu pri formovaní namiesto toho, aby si tieto spomienky ukladali samy.
Dussutourová spolupracuje s molekulárnymi biológmi, aby zistili, či mechanizmy založené na RNA môžu byť základom návykov v slizových formách. Iní vedci pokračujú v rozvíjaní hypotéz o tom, ako by fyzické úpravy rôznych častí bunkového aparátu mohli poskytnúť príležitosti na formovanie jednobunkovej pamäte. Medzi možné mechanizmy patria zmeny v cytoskelete a cykly enzymatickej fosforylácie a defosforylácie intracelulárnych proteínov. A práve v tomto roku vedci z Nemecka oznámili, že Physarum polycephalum môže na ukladanie informácií o tom, kde predtým našiel jedlo, použiť svoju vlastnú morfológiu buniek.
Ešte ďalší navrhovaný mechanizmus učenia sa jednej bunky úplne obchádza potrebu fyzických úprav bunkových zložiek. Aj keď sú tieto úpravy podobné ako „hardvérové zmeny“, môžu existovať aj „softvérové zmeny,“ hovorí regeneračný a vývojový biológ Michael Levin. Jeho skupina na Tuftsovej univerzite študovala génové regulačné siete, ktoré riadia génovú expresiu v jednotlivých bunkách. V štúdii zverejnenej začiatkom tohto roka Levin a jeho kolegovia skúmali, ako by tieto siete mohli ovplyvniť svoje reakcie na určité podnety alebo vstupy bez toho, aby vyžadovali základné fyzické zmeny - podobne ako počítač nemusí fyzicky meniť svoj hardvér, keď zaznamená kúsok informácií zadaných do textového procesora.
V najjednoduchšej verzii takejto siete sa predpokladá, že gény sú aktivované alebo inaktivované interakciami s inými génmi alebo stimulmi z vonkajšieho prostredia. Pamäť vzniká, pretože súčasný stav génov v sieti závisí od všetkých interakcií a vstupov, ktoré sa doteraz vyskytli. V niektorých situáciách, ktoré tím študoval, to znamená, že sieť je možné trénovať, aby sa naučila určité asociácie a prispôsobila svoje budúce správanie „nie preto, že by sme zmenili spojenia medzi génmi A a B.“ Je to jednoducho tak, že určité skúsenosti menia celkový stabilný stav systému spôsobom, ktorý mení spôsob jeho reakcie na tieto podnety v budúcnosti.
Pre niektorých neurológov by tieto alebo iné mechanizmy ukladania intracelulárnych informácií mohli dokonca ponúknuť alternatívu alebo aspoň doplnok k tradičnejším mnohobunkovým teóriám fungovania pamäti a učenia u ľudí. Gershman hovorí: „Už roky sa reptá na nedostatočnosť súčasného spôsobu chápania pamäte v mozgu.“ Hlavná myšlienka, známa ako synaptická teória plasticity, tvrdí, že pamäte sú uložené v spojeniach medzi neurónmi a že učenie vyplýva zo zmien v relatívnej sile týchto spojení.
Ale bolo to kritizované rôznymi vedcami, vrátane Randyho Gallistela, emeritného profesora na Rutgersovej univerzite kvôli tomu, že nedokázali úplne vysvetliť údaje zo skutočného života. Aj keď nie je jasné, či novo navrhované intracelulárne mechanizmy pomôžu vysvetliť medzery, tvrdí Gershman, vyzývajú vedcov, aby prehodnotili bežné teórie poznania.
Pohybujúci sa za hranice ideológií
Debata o hraniciach učenia a iných kognitívnych procesoch ani zďaleka nie je ukončená. Dussutour napríklad naznačuje, že pre vedcov by mohlo byť menej kontroverzné diskutovať o svojich zisteniach v jednotlivých bunkách, ak by nepoužívali pojmy z tradičného výskumu správania zvierat, čo by mohlo naznačovať rovnocennosť, ktorá sa ešte len musí preukázať. „Myslím... ľudia sa rozčuľujú, pretože to nazývame učenie,“ hovorí o svojich a iných štúdiách o jednobunkových organizmoch. „To isté bolo pri rastlinách, keď ľudia hovorili o neurobiológii,“ dodáva a odkazuje na búrlivú debatu, či o rastlinách možno povedať, že vykazujú poznanie podobné zvieratám. Bolo by vhodnejšie, keby to, čo pozoruje v slizových formách, sa nazývalo „adaptáciou“ namiesto „učenia sa“, a dodáva, že dôležitejšie pre ňu je to skúmať ako to správne označovať.
Levin však tvrdí, že je to práve použitie všeobecných konceptov, ktoré pomáha výskumníkom identifikovať a hovoriť o paralelách, ktoré by inak mohli chýbať. Dalo by sa povedať, že „tu je pamäť a tu je šmrnc,“ navrhuje, a tým sa snaží uspokojiť ľudí, ktorí by radšej uchovali tradičnú kognitívnu neurovedu. Ale pritom „premeškáte príležitosť pre najmocnejší vedecký nástroj, ktorým je zjednotenie“. Keďže vedci v súčasnosti vytvárajú umelo inteligentné systémy v živých a neživých médiách, jednotlivé bunky možno len ťažko považovať za najpodivnejšie príklady učenia, dodáva. „Vynikajúcim poznatkom je, že toto sú všetky prípady jednej základnej kapacity, ktorá existuje v širokej škále systémov: schopnosť meniť vaše budúce správanie na základe vašich minulých skúseností.“
Samotná Gelberová by pravdepodobne súhlasila s týmto holistickým pohľadom, keď v niekoľkých prácach diskutovala o tom, ako by štúdie Paramecia aurelia mohli poskytnúť všeobecný pohľad na ukladanie informácií a správanie sa živých vecí. Prehodnotenie jej zabudnutého výskumu veľmi dobre informovalo o sociológii vedy a o spôsobe, ako môžu byť veci predčasne odmietnuté. Výskumné paradigmy môžu vytvoriť určitý druh tunelového videnia, kde skončíme s konkrétnym spôsobom uvažovania o nejakom fenoméne, ktorý potom v podstate zastaví akékoľvek úsilie o štúdium alternatív.
