Биология

Без рук, без ног, головы и мозга: как слизистая плесень строит карты Вселенной

Удивительные слизевики и их Шнобелевки

Shingo Ito/frankenstoen/Flickr/Audrey Dussutour/Twitter/Indicator.Ru

Как безмозглые существа нарисовали карту железных дорог Японии, смогли «пообщаться» друг с другом и привыкли к воздушным ваннам, расскажет новый выпуск рубрики «Как получить Нобелевку».

Общительные собаки, голуби-врачи, чувствительные коровы — вы уже знаете довольно много «шнобелевских» историй о том, как люди пытались общаться с животными и приписывали им собственные качества, переоценивая их эмоциональный и интеллектуальный потенциал. Эта история будет другой. Во-первых, главными действующими лицами здесь будут в прямом смысле слова безмозглые существа (а значит, очеловечивать тут, в общем, и некого). Во-вторых, эти безмозглые существа настолько уверенно доказали свои способности к решению непростых математических задач, что ученым остается только зафиксировать их таланты и придумывать им все новые и новые приложения.

Речь идет о двухкратных лауреатах Шнобелевской премии 2008 и 2010 годов в номинациях «Когнитивные науки» и «Транспортное планирование» (все-таки есть что-то жизнеутверждающее в том, чтобы изучать не обладающих мозгом живых существ и получить награду за исследование их когнитивных — то есть умственных — способностей). В 2008 году премию получила группа японских ученых и их венгерский коллега за открытие того, что слизевики могут решать задачи, а в 2010 году — японские и британские исследователи за использование слизевиков в решении задачи о кратчайшем пути. Трое лауреатов японской исследовательской группы 2008 года были и в составе звездного коллектива 2010 года — это Тосиюки Накагаки, Рё Кобаяси и Ацуси Тэро.

Теперь давайте разберемся, кто такие (что такое?) слизевики и что они сделали. Слизевики — это группа простейших организмов, в которой насчитывается более 900 видов. Классификация слизевиков окончательно не разработана: раньше их включали в царство грибов, теперь же считается, что они сочетают в себе признаки разных простейших. На определенном этапе своей жизни слизевики выглядят как — ничего удивительного — слизистая масса, не имеющая каких-либо твердых оболочек или покровов. Слизевик может представлять собой одну большую клетку с несколькими ядрами (и тогда его размер не превышает нескольких десятков миллиметров), а может быть многоклеточным — встречались экземпляры площадью в несколько квадратных метров и массой около 20 килограмм. Но это состояние возникает лишь как ответ на недостаток еды — если питания хватает, слизевик проводит жизнь в виде отдельных клеток, а в случае необходимости они объединяются в более крупную структуру, которая двигается по направлению к источнику пищи. Это «тело» может перестраиваться, менять форму и размножаться — выбрасывать специальные отростки, в которых находятся споры (именно из-за этих спор и отростков, напоминающих грибы, слизевиков и относили к грибам).

Ученые ставили опыты над слизевиками Physarum polycephalum (кстати, видовое название этого существа означает «многоголовый») именно в таком многоклеточном состоянии. Оба исследования — 2008 и 2010 годов — схожи. В первом случае (статья была опубликована за восемь лет до получения награды — в 2000 году) эксперимент был поставлен следующим образом: сначала ученые сделали лабиринт размером 25 на 35 сантиметров. Лабиринт заполнили питательной средой и поместили туда слизевик — он разросся и занял собой все свободные проходы. Затем питательную среду оставили только в двух местах лабиринта — на нижней и левой гранях четырехугольника. Спустя четыре часа площадь слизевика существенно сократилась: он убрал «лишние» (не ведущие к еде) отростки, при этом сохранил части, с помощью которых потенциально мог добраться до питания. Еще через четыре часа организм сформировал единую плотную структуру, соединяющую две «кормушки» самым оптимальным способом.

Чтобы максимизировать эффективность поиска пищи и, следовательно, шансы на выживание, слизевик изменил свою форму в лабиринте и образовал одну толстую трубку, покрывающую кратчайшее расстояние между источниками пищи. Этот примечательный процесс вычислений на клеточном уровне подразумевает, что подобные организмы могут демонстрировать примитивный интеллект.
Тосиюки Накагаки, Хироясу Ямада, Агота Тот
Заключение в статье в журнале Nature

Эксперимент 2010 года был аналогичным по содержанию, но оформлен более красиво. На этот раз вместо пластикового лабиринта ученые взяли карту побережья Японии, положили еду на точки, обозначающие основные города страны, а слизевик поместили на место Токио. Чтобы организм не выходил за границы дозволенного, исследователи ярко осветили участки, где должен находиться океан, озера и другие природные преграды, — Physarum polycephalum боится света. Через некоторые время слизевик вырос, соединив Токио с другими городами, и получившийся организм практически полностью совпал с картой железнодорожной сети Японии. «Мы показываем, что слизевик Physarum polycephalum формирует сети с такой же эффективностью, отказоустойчивостью и стоимостью, как и транспортные сети реальной инфраструктуры», — отметили авторы. Другие исследователи согласны, что слизевики решают задачу по поиску оптимального пути между несколькими точками с минимальными затратами энергии и так же эффективно, как люди или компьютеры.

Но, наверное, самое необычное применение способностей слизистой плесени к проектированию нашли астрономы — соответствующая работа была опубликована в 2020 году. Согласно современным космологическим теориям, Вселенная похожа на объемную сеть: пустым ячейкам сети соответствуют участки с пониженной плотностью вещества, а ниткам, из которых сеть сплетена, — области, вдоль которых расположена основная доля вещества. Проблема заключается в том, что в поле зрения телескопов попадают только самые крупные и яркие объекты, расположенные вдоль «нитей» (или филаментов — так их называют специалисты), но вот основная доля вещества существует в форме разреженного газа, который невозможно увидеть или зафиксировать. Как же понять, по каким траекториям «проложены» нити-филаменты? Астрономы взяли цифровую модель поведения слизевика и применили ее к трехмерной карте Вселенной, на которой были обозначены более 37 тысяч галактик. Ученые ввели новое правило — они захотели, чтобы слизевик выбирал не единственно верный (кратчайший) путь, а строил вероятностную схему нитей Вселенной. Благодаря этой работе получилась карта распространения паутины вещества от галактики к галактике. Совместив результаты моделирования с имеющимися данными о расположении газа во Вселенной, авторы увидели, что модель весьма точна.

Но, разумеется, слова ученых про «примитивный интеллект» слизевиков весьма спорны. Как мы помним, один из главных аргументов противников теории «разумных растений» — это то, что у цветов и деревьев нет ни нервной системы, ни головного мозга, ни иных органов, которые могут обеспечить мыслительный процесс. Со слизевиками то же самое — этот одноклеточный организм (или их колония) похож скорее на гриб или на плесень, но никак не на разумное существо. Тем не менее, слизевики умеют не только строить транспортные карты и помогать астрономам — они способны чувствовать время, учиться и даже передавать знания соплеменникам.

В одном эксперименте ученые — среди которых снова были шнобелевские лауреаты Накагаки и Тэро — обдували организм сухим воздухом каждые 60 минут. Слизевикам такие воздушные ванны не очень нравятся — под воздействием воздуха они замедляют свой рост. После двух-трех процедур слизевики начинали самостоятельно сдерживать скорость распространения каждые 60 минут. Еще один опыт 2019 года продемонстрировал способность Physarum polycephalum «запоминать» различные вещества, например, соль, которую слизевики очень не любят. В течение шести дней исследователи держали организмы в соленой среде, чтобы те привыкли к новым условиям и смирились с ними. В итоге концентрация соли в этих слизевиках примерно в десять раз превышала нормальную, а сама плесень приобрела способность спокойно пересекать посоленные участки поверхности. Привычка сохранилась даже после того, как слизевики были введены в своеобразную «спячку» (вегетативное состояние, которое возникает при нехватке воды и питания — организм «усыхает», теряя около 50% белков, 40% ДНК и 65% РНК), а через месяц помещены в питательную среду и возвращены к жизни.

А другой эксперимент доказал, что слизевики могут обмениваться информацией: исследователи сформировали пары из существ, которые испытали на себе непростую жизнь в соленой среде, с «неопытными» слизевиками. Организмы сливались друг с другом, и в результате плесень, получившая «инъекцию» соли из тела партнера, двигалась в неприятной среде намного быстрее, чем та, что столкнулась с солью впервые в жизни. Эта способность сохранялась и после возращения слизевиков в исходное состояние — разделения их сросшихся тел.

Напоследок расскажем еще об одной способности Physarum polycephalum: он умеет сравнивать количество еды и выбирать лучшее место для кормежки. В 2016 году ученые разложили питательную среду с двух противоположных сторон от слизевика: еда лежала примерно через одинаковые интервалы, но в одном направлении ее было больше, а в другом — меньше. Сначала слизевик начинал расти в обе стороны одновременно, но в итоге концентрировал все усилия лишь на одном пути: он «суммировал» количество порций, лежащих с каждой стороны, «оценивал» размер этих порций и в итоге принимал верное решение.

Остался, наверное, самый интересный вопрос: как же слизевики все это делают? Спешим вас разочаровать: это науке пока неизвестно. Точнее, известно, но далеко не все: например, относительно понятно, в чем секрет передачи «знаний» о соли. Слизевик приобретает терпимость к веществу, если оно есть в его организме: соль можно вводить простой инъекцией, можно «кормить» ей подопытного, а можно сращивать два организма, чтобы один стал источником раздражителя для второго. Задачу о нахождении кратчайшего пути слизевики частично решают при помощи специальной сигнальной молекулы, которая вырабатывается в их организме при приближении к источнику пищи. Химический сигнал о повышении концентрации этой молекулы распространяется по всему телу слизевика, и он начинает расти в нужном направлении. А вот на вопрос о том, как слизевики отсчитывали часовые интервалы в эксперименте с сухим воздухом, ученые пока ответить не могут.

Понравился материал? Добавьте Indicator.Ru в «Мои источники» Яндекс.Новостей и читайте нас чаще.

Подписывайтесь на Indicator.Ru в соцсетях: Facebook, ВКонтакте, Twitter, Telegram, Одноклассники.