博物志 | “没有脑子”的单细胞生物可能比你想象中更“聪明” - 蓬莱阁传说 | 蓬莱阁旁！

生物在没有大脑的情况下可以产生认知学习能力吗？

酷似“九头蛇”的水螅，没有脑子和神经元

问题的产生来源于美国心理学家阿特丽斯·盖尔伯所开展的一项双核草履虫实验，为了研究草履虫的捕食行为，她向草履虫培养液中插入了带细菌的电线。

在草履虫眼中，细菌不亚于一场饕餮盛宴，所以当电线插入后，它们很快朝着食物游了过去。而经过几次试验后，她发现只要将电线插入草履虫培养液中，即便上面没有细菌，也会引发同样的觅食行为。

因此她认为草履虫正在学习将电线和食物建立联系，更重磅的是，通过她的研究或许能表明：某些认知学习过程所需的生物机制可能并一定存在于动物大脑神经元之间的连接中，而是存在于单个细胞本身。

草履虫

结论一出，立马引发了科学界的震动，尽管有不少同仁对她的想法很感兴趣，但在这之前，科学界普遍认为只有高度进化、具有中枢神经系统的多细胞生物才具备学习行为。

因此当时大部分科学家完全不认可此结论，认为她的实验中缺失重要的对照组，从而无法排除其他因素对实验的影响，比如有机体对简单刺激（如电流或食物）产生本能反应的趋向性。

于是，这个问题也成为了科学界迟迟未能攻克的一个难题。直到黏菌这种“神秘”生物给了科学家一些新的思路。

单个网柱细胞黏菌

首先，黏菌既不是细菌，也不是真菌，它的名称来源于这种生命体某一段生命周期的“体态特征”。当它们处于生长期的时候，由于缺少细胞壁的存在，它们无包裹的原生质团看起来就像是一团成凝胶状的“黏液”，由此而得名。

处于原生质团时期的绒泡黏菌

实际上，黏菌属于原生动物门，与草履虫、变形虫等生物互为“同门师兄弟”，它们都以自然界的微生物为食，但不同之处在于黏菌可以作为单细胞自由生活，也可以聚集在一起形成多细胞生殖结构。

比如常见的多头绒泡菌，当食物充足的时候，它们更倾向于单独活动，自己一个人吃顿好的；但在食物短缺时，大量的单细胞个体会慢慢聚集起来并作为一个整体移动，我们暂且称之为“黏菌团”吧。在这种状态下，它们对空气中的化学物质更敏感，可以找到哪个方位有食物存在。

培养中的黏菌正在寻找食物

那么有意思的来了，这么多单细胞聚集在一起，大家都是“没脑子”的，到底应该听谁的呢？

其实，当黏菌聚集在一起后，彼此之间已经通过细胞质连接在了一起，由于细胞质会在“黏菌团”内部有节奏地进行流动，这样一来整体才能进行移动，另外，每个单细胞的分子也会随着细胞质流动而扩散到其他细胞中“串串门”。

延时记录黏菌活动速度

看到这，是不是感觉有点大脑神经元连接内味儿了，那么这种流动是否还能传输信息呢？来自日本和匈牙利的研究人员做了一个“迷宫实验”，他们把多头绒泡菌放在一个迷宫盒子中，并将食物分别放在迷宫的出口和入口，然后观察黏菌的扩散情况。

黏菌迷宫实验

一开始黏菌们四处碰壁，但凭借着对食物的敏感性，它们还是很快地就找到了食物的所在地，接着神奇的一幕出现了，当接触到食物后，黏菌们迅速在两处食物之间做出反应，收回死胡同中的细胞质，并且在迷宫中四条长短不一的正确路线中选择了最短的一条。

黏菌细胞质集中在了正确的迷宫路线上

这意味着黏菌之间不光会传输信息，甚至还能对信息做出处理，选出最佳路线。

显然，有了这个发现，科学家不会就此“善罢甘休”，他们提高了实验难度，把食物源增加到两种以上，同时按照东京及其周边36个城镇的地理分布进行摆放，让黏菌们玩起了东京版“模拟城市交通”。

黏菌团向着食物“进攻”

结果黏菌果然没有让人失望，在20多个小时后，黏菌不仅完成了对所有食物的搜集工作，还在进行自我组织、向外扩散的过程中形成了一个稳定食物网，而这个网络，不论在功能上，还是能源成本上都堪比现实中东京铁路网。

东京铁路网是世界上合理布局且高效利用的系统之一，由几代工程师通过大量模拟而成

除此之外，黏菌还完美通关了“模拟城市交通”英国版、葡萄牙版和西班牙版，成绩喜人。

尽管黏菌没有神经系统，但它们具有特定的计算规则来支配这些复杂行为，因此科学家们尝试使用分布式规则来模拟黏菌的网络结构进行简单的机械操控。或许在不久的未来，黏菌将取代人工智能（AI）成为控制机器人的核心“大脑”。

在芯片内部，黏菌模具被几个检测电导率的电极包围

- 作者信息 -

鱼鱼中国科普作家协会优秀科普作品银奖获得者，清蒸鱼头、麻辣鱼头等各种鱼头爱好者。

主要参考来源：

【1】 https://doi.org/10.1016/j.biosystems.2011.03.007

【2】 https://web.archive.org/web/20130421004038/http://wiki.cs.unm.edu/

【3】pibbs/lib/exe/fetch.php?media=slimemold.pdf

【4】 Wikipedia——slime mold

【5】 Wikipedia——Physarum polycephalum

图片皆来源于网络

排版 | 萝卜娟

审核 | 苏苏、六朵、苍翼蝴蝶

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