Чем ты думал?

Несколько историй из жизни самой умной плесени

Мы привыкли думать, что выбирать или рисковать умеют только обладатели развитой нервной системы, но некоторые простейшие могут сильно пошатнуть наш многоклеточный шовинизм. Слизевик Physarum polycephalum без намека на разум или сознание выбирается из лабиринтов, управляет роботами и сочиняет музыку.

С биологической классификацией слизевиков — запутанная история. Одно время их причисляли к грибам, потом подумывали выделить в отдельное царство, а теперь договорились, что это группа организмов со схожими признаками из разных таксонов простейших. Объяснить такую путаницу несложно: за свою жизнь слизевики, подобно бабочкам, проходят несколько совершенно непохожих стадий.

В голодные и трудные времена эти разрозненные одноклеточные объединяются в разнообразные суперорганизмы. Одни виды слизевиков образуют колонии, внешне напоминающие обычные грибы, а другие сливаются в аморфные слизистые массы, растекающиеся по миру в поисках еды и легкой жизни.

На некоторых стадиях жизни слизевики внешне напоминают грибы. Изображение: Lauren Gutierrez/Flicrk


Слизевик P. Polycephalum идет по второму пути и формирует плазмодий — огромную и хорошо заметную глазом клетку, под оболочкой которой собрано множество одинаковых ядер. Внешне это напоминает ярко-желтую плесень, способную со скоростью около сантиметра в час ползти и разрастаться в сторону пищи или, наоборот, — от источника яркого света. Таких нехитрых инстинктов P. Polycephalum хватает на то, чтобы демонстрировать внешние признаки осознанного поведения, не имея ни отдельных нервных клеток, ни тем более нервной системы.

Способные ученики

Многочисленные эксперименты с P. Polycephalum выглядят примерно одинаково. Слизевика селят на подложку из питательного вещества агара, раскладывают неподалеку овсяные хлопья — его любимое лакомство — и смотрят, как P. Polycephalum будет добираться до цели, попутно немного издеваясь над испытуемым.

Так, японские ученые обдували слизевика струями сухого воздуха, и в этих неблагоприятных условиях он немного замедлял движение. После трех непродолжительных воздействий с интервалом в час между каждым P. Polycephalum обучался и уже будто предчувствовал надвигающуюся непогоду, заранее притормаживая.

Если ученые на время переставали подавать сухой воздух, то слизевик постепенно забывал свой горький опыт и снова двигался свободно и непринужденно до тех пор, пока новое испытание не возвращало его в суровую реальность. Даже одного повторного воздействия суховея после шести часов пропуска хватало, чтобы P. Polycephalum снова начинал, как по часам, замедляться каждые 60 минут.

Недавняя работа французских ученых показала, что слизевики могут не только обучаться, но и привыкать, то есть избирательно снижать порог чувствительности к раздражителю. В новом эксперименте плесень переползала от одного островка лакомства до другого по мостикам из неприятных для нее веществ — хинона и кофеина.

Сначала P. Polycephalum делал это неохотно — медленно, стараясь не касаться раздражителя, но постепенно он привыкал к испытанию и начинал его проходить гораздо решительнее, как будто игнорируя неприятное для него вещество. Такая реакция была избирательной: слизевики, смирившиеся с хиноном, все равно боялись кофеина и наоборот.

Плесневая урбанистика

Любители компьютерных стратегий помнят толпы бездумных созданий, вечно застревающие на марше в самых неподходящих местах. Слизевик себе такого не позволяет. Он всегда знает, куда идти, даже в лабиринте.



Работа японских и венгерских ученых 2010 года показала, что P. Polycephalum не просто способен обойти препятствие, но делает это самым коротким путем. В эксперименте слизевика растили в лабиринте, в двух точках которого разложили овсяное лакомство. Сначала P. Polycephalum заполнял почти весь лабиринт, но со временем он полностью переполз только на кратчайший путь, соединяющий два источника питания.

Как одноклеточной плесени удается так хорошо ориентироваться в пространстве, пока непонятно, но, видимо, в этом ей помогает своеобразная ариаднова нить — характерный след из слизи, который оставляет за собой P. Polycephalum. Так, работа 2012 года показала, что плесень старается не ползать по слизи, предварительно нанесенной на подложку коварными экспериментаторами, или вообще гораздо хуже справляется с заданиями, если весь ее путь покрыт инородной слизью. Чужие следы будто сбивают с пути P. Polycephalum и мешают ему сориентироваться.

В 2010 году топографические таланты слизевика даже принесли группе остроумных японских исследователей Шнобелевскую премию: они использовали плесень для планирования схемы транспорта. Ученые взяли карту Токио, расположили на ней пищу в главных железнодорожных узлах японской столицы и пустили туда слизевика. За следующие сутки он так разросся, что добрался до всех лакомств и при этом сформировал между ними разветвленную сеть путей, сильно напоминающую реальную схему железных дорог Токио.



Позже другие ученые повторяли этот трюк еще не один раз. Слизевик воссоздавал карту древних римских дорог на Балканах, разбирался с транспортом в Лондоне и даже планировал сообщение между земными базами на Луне: P. Polycephalum нет разницы, между какими точками искать самые быстрые и удобные пути.

Грамотный выбор

В 2009 году группа французских и австралийских ученых показала, что слизевик умеет не только эффективно добираться до еды, но и неплохо принимает решения. Они рассыпали вокруг P. polycephalum еду и следили за действиями плесени. Слизевик пустил отростки в сторону каждого из источников пищи, оценил их и в конце концов распределил свою массу пропорционально питательности находок: чем сытнее была пища, тем большая часть массы слизевика переползла в ее сторону — абсолютно рациональный и взвешенный выбор.

В условиях кризиса слизевики ведут себя по-другому. В экспериментах 2010 года их снова заставляли выбирать между разными источниками питания: агаром с замешанным экстрактом овса концентрацией в 2%, 6% и 10% в одной серии экспериментов и концентрацией в 6%, 8% и 10% — в другой серии. В нормальных условиях слизевики быстрее делали выбор в первой серии экспериментов с большей разницей питательности лучшего и худшего варианта.

В спокойных условиях слизевик чаще всего выбирает самое питательное лакомство. Изображение: Proceeding of the Royal Society B


После голодовки или неприятного воздействия светом P. Polycephalum быстрее принимал решение уже во второй серии экспериментов: когда промедление может вызвать плачевные последствия, между 10% и 6% разница не так велика. Экстремальные условия требуют быстрых решений: в тучные годы мы долго выбираем между двумя почти одинаковыми моделями телевизоров или телефонов, но в кризис вряд ли уделим этому столько сил и внимания (если вообще будем покупать телевизор).

Музыкант от природы

В 2012 году английские исследователи вживили в дно чашки Петри, на которой выращивали P. Polycephalum, несколько электродов для снятия электрической активности. Каждому электроду они сопоставили свою акустическую частоту и преобразовали полученные электрические сигналы в звук.



Потом мексиканский художник Лесли Гарсия похожим образом записал в соавторстве с P. Polycephalum целый музыкальный альбом, где за детали композиции отвечала причудливо разрастающаяся плесень, а общий тон и ритм задавал сам композитор, периодически раздражавший слизевика ярким освещением, которое меняло его поведение и электрическую активность.



На этом же эффекте работал и шестипалый робот, искавший по указаниям слизевика самые тенистые участки. Схема эксперимента выглядела следующим образом: массив электродов снимал электрическую активность растущей плесени, этот сигнал преобразовывали в инструкции для робота, а установленный на нем сенсор фиксировал освещение и обеспечивал обратную связь со слизевиком. Если робот выезжал на светлый участок, то лампа над растущей плесенью тоже начинала светить ярче, и круг замыкался: менялась электрическая активность плесени, и робот чувствовал, что ему срочно нужно где-то спрятаться.

Такого робота сделали еще в 2006 году, но с тех пор новостей о слизевиках-киборгах пока не появлялось, хотя их возможности должны быть куда шире. Так, в 2013 году один из британских ученых, впервые пытавшихся извлечь из слизевика звуки, показал, что он не только реагирует на свет, но и различает некоторые цвета. Например, облучение красным и синим светом вызывает в нем разные изменения электрической активности.

Так что вместо серой слизи — самоорганизующихся и самореплицирующихся нанороботов, якобы способных захватить мир, — фантастам лучше бояться плесени ярко-желтой, неплохо приспособившейся к нашему странному и шумному миру.

Живая электроника

В электронике есть такой элемент, как мемристор — резистор, сопротивление которого не остается постоянным, а меняется под действием протекающего через него заряда. Его предсказали и теоретически описали еще в 70-х годах прошлого века, но впервые сделали только в 2008 году.

Мемристор в отличие от остальных электронных компонентов немного похож на нейрон, который тоже способен обучаться и менять свою активность под действием протекающих сигналов.
С помощью мемристоров исследователи надеются построить принципиально новую память, воплотить в удобном железе принципы искусственных нейронных сетей и сымитировать биологические вычисления.


В 2013 году выяснилось, что мемристивными свойствами обладают и слизевики: их отростки, тянущиеся к пище, меняют электрическое сопротивление под действием электрического тока, как и положено мемристорам.

В 2014 году исследователи из Германии и Великобритании пошли еще дальше и сделали на основе слизевиков биокомпьютер, выполняющий простейшие логические операции. Для этого с помощью овсяных хлопьев и соли они опять вырастили сложную ветвящуюся сеть P. Polycephalum, имитирующую работу логических элементов XOR («исключающее ИЛИ») и NOR («ни X, ни Y»). Только вместо потока электронов эти элементы управляли потоками жидкости с магнитными частицами, подкрашенными красителям и флуоресцентными метками.

Ветвящаяся сеть P. Polycephalum может выполнять функции логического элемента. Изображение: Materials Today


Попытки сделать более сложные логические схемы на основе P. Polycephalum пока проваливались, но, возможно, именно слизевики однажды помогут людям сделать биосовместимую электронику, способную разговаривать на языке живых клеток. Кстати, такие исследования ведутся и в России — в группе Виктора Ерохина в Курчатовском институте: там уже создали небольшую искусственную нейронную сеть из мемристоров на основе электропроводящего полимера, а теперь хотят сделать полимерный транзистор, работа которого будет управляться электрической активностью слизевика.

Биохимия процессов, отвечающих за умения P. Polycephalum, ученым пока не ясна. Как он ориентируется в пространстве по своей слизи? Как оценивает питательность пищи? Почему меняет проводимость с прохождением электрического заряда? Откуда знает, что прошел ровно час с прошлой подачи сухого воздуха? Есть множество догадок, гипотез, объяснений, но нет полной картины. Все как положено в красивой и новой научной области, да и в природе. Муравьи с их сложным поведением вряд ли читали мудреные работы энтомологов, а бактерии, способные собираться в большие «мыслящие» колонии, ничего не знают про ионные каналы, без которых они не смогли бы обмениваться сигналами.
Михаил Петров
Теги:

Читать еще на Чердаке: