Физики выяснили, как слизевик «принимает решения» без мозга

Фото из открытых источников

Это не настоящие плесневые грибы. Это даже не грибы. Большую часть своей жизни они существуют либо в виде плазмодиев, либо в виде амеб и отказываются подчиняться жестким структурам, которые управляют другими формами жизни.

Слизевики также известны тем, что, не имея ни мозга, ни даже нервной системы, каким-то образом демонстрируют поведение, которое можно описать как разумное.

Но что координирует это коллективное движение? Существует ли на самом деле какая-то центральная сила?

Новое исследование предполагает, что такое существует, но, вероятно, не то, о котором вы думаете. Результаты исследования опубликованы в журнале PRX Life.

Самым известным слизистым грибом, героем многих научных экспериментов, является ярко-желтый Physarum polycephalum, научное название которого приблизительно переводится как «маленький пузырек со множеством головок».

Это довольно метко: будучи плазмодием, его одноклеточная структура представляет собой, по сути, большой мешок клеточных ядер и слизи.

Этот разветвленный, бесформенный образ жизни делает его физически более подвижным, чем грибы, за которые его когда-то ошибочно принимали. Когда у P. polycephalum заканчивается пища, он может переползти на следующее сочное бревно.

Но это странное передвижение — не поиск вслепую. Слизевики каким-то образом способны проходить лабиринты в поисках пищи и запоминать, как найти её снова.

В общих чертах, они способны «принимать решения», выбирая конкретное действие из множества альтернатив.

Теперь ученые в Германии и США начали понимать, как может работать такой децентрализованный процесс принятия решений.

Поскольку у P. polycephalum нет ни мозга, ни нервной системы, определение «принятия решений» здесь существенно отличается от того, что может использоваться в исследованиях поведения животных.

Но это может многое рассказать нам о том, как системы без нейронов находят способ адаптировать поведение без необходимости нисходящего управления.

Слизевик крайне не любит синий свет, а это значит, что его можно «заманить» в ловушку, созданную исключительно из лучей светящихся волн с длиной волны 470 нм.

Однако, как показывают кадры из нового исследования, голодающая слизевик пытается преодолеть свои барьеры, блокирующие синий свет, в поисках пищи, выпуская небольшие локализованные выступы, чтобы найти путь сквозь них.

В мгновения перед этим кажется, что оно бурлит, зарождается, дергается, пульсирует – пока наконец не вырывается наружу, освободившись от ограничений ловушки.

«В отличие от нервной системы, P. polycephalum использует ритмичные перистальтические сокращения для обеспечения внутренних потоков и перераспределения массы, что позволяет ему адаптироваться к окружающей среде», — объясняют биолог-физик Лиза Шик из Технического университета Мюнхена и ее коллеги в отчете о своих открытиях. «Однако, хотя предыдущие исследования были сосредоточены на результатах этих решений, основные механические принципы, управляющие этим массовым перемещением, остаются неизвестными».

Используя ловушки с синим светом, Шик и его команда исследовали пути передвижения P. polycephalum в ситуациях, угрожающих жизни.

Ловушки для света, использованные в этом эксперименте, немного напоминают геометрические трафареты, которыми вы могли пользоваться в детстве.

Синий свет падает на поверхность агарового желе, образуя промежутки: области, свободные от света, которые имеют форму различных двумерных геометрических фигур (таких как треугольник, квадрат или шестиугольник).

Ученые поместили истощенных слизистых грибов в эти затененные участки, заперев их там — но лишь на некоторое время.

Подстрекаемые голодом, плесень начала расти в течение часа, а затем с энтузиазмом расширила свою плотную сеть трубочек, чтобы исследовать и заполнить ловушку.

На этом этапе исследования движение слизевика регулируется своего рода локализованным цитоплазматическим потоком — потоком клеточной жидкости, движимым молекулярными сокращениями.

В поисках пищи и свободы плесень осторожно выпустила небольшие выступы в поле синего света во всех направлениях. Большинство из них быстро втянулись, но некоторые вытянулись так далеко, что плесени нашли способ вырваться наружу.

«По всему периметру ловушки появляются небольшие выступы (исследовательские выступы), однако выход из ловушки происходит только вблизи самой длинной оси внутри её структуры», — объясняют исследователи.

Под «самой длинной осью» они подразумевают самую длинную возможную линию, которую можно провести поперек фигуры. Это кажется немного странным: почему выбирают самый длинный путь, а не самый короткий?

Исследователи считают, что это как-то связано со способом передвижения слизистых грибов.

«Только со временем организм окончательно выбирает наиболее эффективный для транспортировки способ сокращения, который совпадает с выходом из организма», — объясняют исследователи.

Каждый раз, когда слизевик проверяет путь к отступлению, он, по сути, перестраивает свое тело, позволяя перистальтическим сокращениям распространяться по всему его организму, чтобы найти наиболее эффективный способ передвижения.

Чем длиннее путь, тем большее давление могут создать перистальтические сокращения формы, а это значит, что она может выдавить больше своей липкой массы наружу за один раз.

«Форма ловушки в конечном итоге определяет наиболее эффективный способ транспортировки, позволяя давлению накапливаться вдоль самой длинной оси и обеспечивая выход плазмодия», — объясняет команда.

Таким образом, хотя может показаться, что слизевик «принимает решения» о направлении движения, это исследование предполагает, что на самом деле это зависит от механических процессов, включающих потоки жидкости.

«Наши результаты позволяют понять механизмы принятия решений у ненейронных организмов, проливая свет на то, как децентрализованные системы обрабатывают ограничения окружающей среды для управления адаптивным поведением», — заключают авторы исследования.