Zdolność zapamiętywania informacji napotkanych w przeszłości umożliwia organizmowi podejmowanie lepszych decyzji w przyszłości – chociażby podczas poszukiwania pożywienia bądź unikania drapieżników. Do tej pory w nauce dominowało właściwie niekwestionowane założenie, że do wytwarzania wspomnień niezbędny jest przynajmniej podstawowy układ nerwowy. Zespół niemieckich badaczy z Instytutu Maxa Plancka oraz z Technicznego Uniwersytetu w Monachium odkrył mechanizm, dzięki któremu gigantyczny jednokomórkowy śluzowiec przyswaja i przypomina sobie informacje – choć nie posiada ani jednej komórki nerwowej. Wyniki tego przełomowego badania zostały opublikowane na łamach prestiżowego czasopisma “Proceedings of the National Academy of Sciences”.

Śluzowiec Physarum polycephalum to niezwykły jednokomórkowy organizm istniejący na pograniczu królestwa zwierząt, roślin i grzybów. Jego ciało składa się z ogromnej komórki złożonej z połączonych kanałów, które tworzą skomplikowane sieci. Ten eukariotyczny organizm może się rozciągnąć na odległość od kilku centymetrów nawet do kilku metrów! Nic dziwnego, że wpis o nim figuruje w Księdze Guinnessa. Poza tym przejawia szereg innych zdolności, zwyczajowo “zarezerwowanych” dla wielokomórkowców. Potrafi na przykład znaleźć i zapamiętać najkrótszą ścieżkę przez labirynt, która prowadzi do pożywienia. Dlatego od wielu dekad jest obiektem zainteresowania dociekliwych naukowców. Badania tego stworzenia pozwalają im na wgląd we wczesną historię i ewolucję eukariontów, do których zalicza się także człowiek.

Mirna Kramar z Instytutu Maxa Plancka oraz profesor Karen Alim z Technicznego Uniwersytetu w Monachium przeprowadziły eksperymenty, których wyniki w pewnym stopniu wyjaśniły zaskakujące umiejętności tego śluzowca. Procedura polegała na wykorzystaniu potężnego mikroskopu do rejestracji zdarzeń molekularnych zachodzących w organizmie jednokomórkowca gdy napotyka on pożywienie. Następnie badaczki przeanalizowały zebrane dane i dzięki zaawansowanym algorytmom uczącym się odkryły, jak Physarum polycephalum wykorzystuje plan własnego ciała, by zapamiętać położenie swojego przysmaku.

Otóż ten śluzowiec składa się z wielu połączonych kanałów o różnorodnej średnicy. Autorki zaobserwowały, iż w odpowiedzi na nowe źródło pożywienia lokalnie wydzielana jest substancja chemiczna o działaniu zmiękczającym. Dzięki przepływowi cytoplazmy jest ona wówczas rozprowadzona po całej sieci kanałów, co zmienia ich rozmiar. Średnica kanałów, które otrzymują więcej substancji rośnie kosztem pozostałych. Zatem wspomnienie miejsca jest przechowywane w hierarchii wielkości kanałów tworzących ciało śluzowca. Informacja o lokalizacji trwale zmienia strukturę organizmu, dzięki czemu wpływa na późniejsze decyzje dotyczące kierunku ruchu.

“Co ciekawe, istniejące ślady poprzednich źródeł żywności, czyli miejsca, gdzie informacje są przechowywane i odzyskiwane, mają wpływ na rozchodzenie się substancji zmiękczającej. Wspomnienia o wcześniejszej lokalizacji pożywienia są zakodowane w hierarchii wielkości kanałów ciała śluzowca, a dokładniej w ułożeniu grubszych i cieńszych elementów sieci. Te większe kanały stanowią ‘autostrady’, którymi substancja zmiękczająca rozchodzi się szybciej. W ten sposób pamięć o poprzednich wydarzeniach wpływa na podejmowanie kolejnych decyzji” – wyjaśnia Mirna Kramar, adiunkt Technicznego Uniwersytetu w Monachium i pracownik naukowy Instytutu Maxa Plancka.

Zdolność Physarum polycephalum do tworzenia wspomnień jest szczególnie intrygująca, ponieważ jego struktura nieustannie ulega szybkiej reorganizacji. Niektóre kanały znikają, inne rosną, a wszystko to dzieje się pomimo zupełnego braku “centrum zarządzania”. Godne uwagi jest również to, że organizm opiera się na prostym mechanizmie, który kontroluje w niezwykle precyzyjny sposób. Wydarzenie w rodzaju napotkania pożywienia pozostawia trwały ślad w strukturze organizmu. W ten sposób architektura sieci sama w sobie staje się wspomnieniem przeszłości.

“Wyniki naszego badania pozwalają zrozumieć, w jaki sposób starożytne organizmy potrafią przetrwać w skomplikowanych środowiskach. Jednocześnie wskazują na pewne uniwersalne zasady zachowania, które dotyczą także bardziej złożonych stworzeń, w tym człowieka. W przyszłości mogą zostać wykorzystane do produkcji tzw. inteligentnych materiałów oraz inspirować strukturę nanorobotów przeznaczonych do nawigacji w trudnym terenie, np. w ludzkim organizmie” – podsumowuje Karen Alim, kierownik Zakładu Fizyki Biologicznej i Morfogenezy w Instytucie Maxa Plancka oraz profesor Teorii Sieci Biologicznych na Technicznym Uniwersytecie w Monachium.

Bibliografia:
Mirna Kramar, Karen Alim. Encoding memory in tube diameter hierarchy of living flow network. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2021;

Dodaj komentarz