موجودی تک سلولی که بدون سیستم عصبی، تصمیم‌گیری‌های پیچیده‌ای می‌کند

عصر پویا _ در سال ۱۹۰۶، جانورشناسی به نام هربرت اسپنسر جنینگز از کشف قابل توجهی خبر داد. او نمونه ای از رفتار هوشمندانه را در یک ارگانیسم آب شیرین که تنها از یک سلول تشکیل شده بود و استنتور روسلی نام داشت، مشاهده کرد. جنینگز ادعا کرد که با تحریک زیر میکروسکوپ، این موجود بی رنگ شیپورمانند، می توانست تصمیم های پیچیده ای بگیرد. این ارگانیسم بدون کمک یک سیستم عصبی، پاسخ خود را براساس سلسله مراتب رفتاری خاصی تغییر می داد. این یکی از پیچیده ترین رفتارهایی بود که تا آن زمان در یک تک سلولی هسته دار گزارش شده بود، هرچند کسی پس از او نتوانست نتایج را تکرار کنند. در نهایت این ایده کنار گذاشته شد. اکنون، پس از گذشت چندین دهه از کنار گذاشتن این ایده، به نظر می‌رسد که حق با جنینگز بوده است.

پژوهشگران دریافته اند که استنتور روسلی به محض تحریک شدن، هر کدام از رفتارهایی را که سال‌ها پیش به وسیله ی جنینگز توصیف شده بود، از خود نشان می دهد و شواهد قانع کننده ای برای این تئوری که مدت ها نادیده گرفته شده بود، فراهم شد. جرمی گاناواردنا از دانشکده پزشکی هاروارد می‌گوید:

موضوع جذاب در مورد توصیفات جنینگز این است که این پدیده نشان دهنده ی تصمیم گیری پیچیده ای است که در آن ارگانیسم در پاسخ به محرکی یکسان، ذهن خود را تغییر می دهد و هربار کار متفاوتی را انجام می دهد. ما معمولا تصور می کنیم چنین رفتارهای شناختی خودمختاری مختص ارگانیسم های پرسلولی دارای سیستم عصبی است اما این جا می بینیم که یک موجود تک سلولی نیز چنین قابلیت هایی را دارد.

به عنوان مثال، وقتی یک سلول استنتور طبیعی به طور مکرر لمس شود، احتمال اینکه خود را جمع کند (انقباض)، کمتر و کمتر می شود. این پاسخ با عنوان خوگیری شناخته می شود که شکلی از یادگیری ناهمخوان یا غیرتداعی است. اما چیزی که جنینگز درمورد استنتور روسلی مشاهده کرد، متفاوت بود. هنگامی که یک ماده ی شیمیایی، این گونه ی خاص را تحریک می کند، سلول ابتدا پیچیده و خم می شود و بخش دهانی خود را دور می کند. اگر حمله ادامه یابد، سلول با مژک های خود ضربه می زند تا اجازه ندهد چیزی به ناحیه ی دهانی او نزدیک شود. اگر باز موفق نشود، سلول منقبض می شود و اگر هیچ کدام از این کارها مؤثر واقع نشود، ارگانیسمی که معمولا ساکن است، کاملا از پایه ی خود جدا می شود.

سیلیات ها (مژک داران) موجودات فوق العاده پیچیده ای هستند که مدت ها است توجه دانشمندان را به خود جلب کرده اند. این ارگانیسم ها در برابر برخی از عوامل استرس‌زا دارای پاسخ اجتناب هستند. آن ها در برخورد با عامل خطر، اگر روی سطحی قرار داشته باشند، می توانند به عقب حرکت کنند یا بچرخند و اگر در آب باشند، می توانند سریع تر شنا کنند. اما درحالی که دیگر تک سلولی ها رفتارهای بقای ساده ای مانند شکار، جهت یابی و جفت گیری را از خود نشان می دهند، به نظر می رسد که رفتار استنتور روسلی بسیار تکامل یافته تر باشد.

این توالی سه مرحله ای از رفتارهای متمایز چیزی بود که موجب شد جنینگز برای اولین بار به وجود رفتارهای سلسله مراتبی در این موجود مشکوک شود. اکنون، برای نخستین بار پس از آن زمان، نتایج تکرار شده است. برخلاف مطالعات گذشته که روی دیگر گونه های مژک داران تک سلولی انجام شده بود، این بار دانشمندان ارگانیسم مناسب را به طور مکرر زیر میکروسکوپ مورد مشاهده قرار دادند. پژوهشگران با قرار دادن استنتور روسلی در محلول، یک ماده ی محرک شیمیایی را در پالس های متعدد وارد محیط کردند و در همین حین از واکنش ارگانیسم در برابر ماده شیمیایی فیلم‌برداری کردند. پس از ۶۰ تحریک کنترل شده، پاسخ ارگانیسم هم ازنظر کیفی و هم از نظر کمی مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت. در پایان، دقیقا همان چیزی رخ داد که جنینگز شرح داده بود. این ارگانیسم ها به گونه ای رفتار می کردند که متمایز از رفتارهای خوگیری و شرطی سازی معمولی بود. پژوهشگران توضیح می دهند:

ما رفتار سلسله مراتبی را به عنوان شکلی از تصمیم گیری متوالی در نظر می گیریم که در آن وقتی موجود به طور مکرر درمعرض تحریکی مشابه قرار می گیرد، ذهن خود را درمورد پاسخی که در برابر آن می دهد، تغییر داده و بنابراین سلسله مراتب رفتاری مشاهده شده را از خود نشان می دهد.

جابه جایی بین حالت‌های مختلف رفتاری نشان دهنده سطحی از تصمیم گیری پیچیده است که معمولا در موجودات دارای سیستم عصبی مشاهده می شود. این امر موجب شد که یک قرن پیش، جنینگز و دانشمند دیگری به نام ژاک لوب وارد نبرد تلخی شوند درمورد اینکه آیا زندگی صرفا مسئله ای فیزیکی شیمیایی است یا چیزی به عنوان عاملیت سلولی وجود دارد.

اسکات کویل، دانشمند زیست‌شناسی که در این پژوهش مشارکتی نداشته است، در حالی که با این موضوع موافق است که نتایج جدید نشان دهنده ی وجود نوعی رفتار سلسله مراتبی است، این ادعا را که «ارگانیسم ذهن خود را تغییر می دهد» را ادعایی انسان انگارانه می بیند. او می گوید:

به نظر من، گفتن اینکه «سلول ذهن یا یادگیری خود را تغییر می دهد»، مفهومی ندارد. این درک جزئیات پشت صحنه ی نحوه ی رمزگذاری رفتار سلسله مراتبی از نظر سیستم های مولکولی ارگانیسم است که هیجان انگیز است. من مطمئنم که برخی از افراد این بحث ها را جالب می بینند اما از نظر من آن ها تنها موجب سر درگمی و ایجاد استدلال هایی در این مورد که آیا این مسئله یک مسئله مکانیکی است یا ربطی به حیات دارد، می شود.

اختصاص هر نوع عاملیتی به موجودی که تصمیم‌گیری را براساس شانس انجام می دهد، دشوار است. به عنوان مثال، در این مطالعه انتخاب استنتور روسلی درمورد جدا شدن یا منقبض شدن، مانند پرتاب سکه است (با احتمالی برابر یکی از این دو پاسخ را انتخاب می کند). درحالی که این رویکرد برای یک موجود تک سلولی قابل توجه است، مسئله ی «تغییر ذهن» نمی تواند باشد. اینکه چگونه این ارگانیسم این سکه ی خیالی را پرتاب می کند، هنور مشخص نیست و نویسندگان فقط می توانند تصور کنند که این رفتار ممکن است چه مزیت تکاملی داشته باشد. شاید این رفتار، راهی برای یافتن جفت مناسب بوده یا شاید هم راهی برای اجتناب از صرف هزینه ی بالا برای جدا شدن از یک نقطه و رفتن به منطقه ای است که شرایط بهتری دارد. این ها سوالات جذابی هستند اما مکانیک این سلسله مراتب است که موجب شگفتی کویل شده است. او پیشنهاد می کند که شاید محرک موجب تغییر در قابلیت دسترسی کانال های یونی تک سلولی شود و این امر موجب شود که دورهای بعدی حمله نتایج متفاوتی داشته باشد. او می گوید:

از نظر مکانیکی، می توان تصور کرد که واکنش های خمشی/مژکی در برابر آشفتگی اولیه منجر به تغییر حالت درون سلول می شود و آن را به منقبض شدن یا جدا شدن مستعدتر می کند.

نتایج این پژوهش در مجله‌ی Current Biology منتشر شده است.

آغازیان (Protista)

مجموعه‌ای از موجودات کوچک تک سلولی (Protozoa) (←شاخه‌ی پروتوزوا) را آغازیان می‌گویند.

مژکداران

تعدادی از رده‌ها به نام مژکداران (Cilliophora) هستند که پارامسی، ورتیسل و استنتور جزو آنهاست.
در آب راکد (مثلا برکه) که آب آن سبز است و مقداری گیاه کف آن است، می توان این سه موجود را در آن پیدا کرد.

رده ی مژکداران ۴ ویژگی عمومی دارند:

۱. مژکدار هستند ← وسیله ی حرکتی در این نمونه مژک (Cillia) است. مژک، یک سری رشته های باریکی هستند که وسیله ی حرکتی مژکداران محسوب می شوند.
در این رده می تواند در کل بدن یا فقط در نواحی خاصی متمرکز باشد.
پارامسی دورتادور مژک دارد و توسط این مژک ها حرکت می کند ولی دونمونه ی دیگر فقط در یک قسمت این تاژک را دارند و برای حرکت از روش های دیگری استفاده می کنند که اشاره خواهد شد.

۲. شیار دهانی (Oval grave) ← قسمتی که موجود، غذا را وارد می کند را شیار دهانی می گویند.

۳. دو نوع هسته دارند ← تمام این رده دو نوع هسته دارند: هسته ی بزرگ (ماکرو نوکلئوس  Macronucleus) و هسته ی کوچک (میکرو نوکلئوس  Micronucleus).

۴. سیستم دفاعی (تریکوسیست) ← اندامکی دفاعی به نام تریکوسیست دارند.شبیه مژک ها هستند با این تفاوت که ضخامت بیشتری دارند و بلندتر هستند. اگر احساس خطر کنند، تریکوسیست را برافراشته می کنند یا به اطراف پرتاب می کنند
با وجود اینکه تک سلولی هستند ولی یکی از موجودات تکامل یافته هستند و تخصصی عمل می کنند  و هر بخش وظیفه ای برعهده دارد.

پارامسی (Paramecium)

واکوئل های انقباضی نقش کلیه را دارد در این موجودات  و مقدار آب را در سلول تنظیم می کند. پارامسی از طریق اسمز آب را وارد سلول می کند و با این کار فیلتر می کند، یعنی اگر غذا در آن بود، آن را هضم می کند و استفاده می کند (←توسط آنزیم های گوارشی). این کار (استفاده ی غذا از آبی که وارد سلول شده، جدا از استفاده ی سلول از شیار دهانی است). پارامسی باکتری خوار است. انتهای شیار دهانی، حلق است که بعد از آن یک واکوئل غذایی است.
واکوئل انقباضی شبیه یک حباب است در و دو طرف سلول وجود دارد. واکوئل غذایی بسته به اینکه چه مقدار غذا باشد،  تعداد متفاوتی دارند. مایع اندوپلاسم دارند و به لایه ای که کنار آن است و شبیه یک لایه ی پوستی است، اکتوپلاسم می گویند (اکتودرم نیست چون درم یعنی لایه لایه ولی در اینجا فقط یک لایه است و به آن جای درم، پلاسم گفته می شود)
هسته ی ماکرو تقسیم دوتایی می‌کند (binary fusion). تغذیه، حرکت، تنفس و تقسیم دوتایی وظیفه ی این هسته است. در تقسیم دوتایی هم هسته ی ماکرو هم هسته ی میکرو تقسیم می شوند و دو پارامسی را بوجود می آورد که عینا مثل یکدیگر هستند. تقسیم دوتایی در مژکداران به شکل عرضی اتفاق می افتد و این تقسیم عرضی، یکی از تفاوت های آن با تاژکداران است. در محیط سرشار از غذا، پارامسی پشت سرهم تقسیم می شود. حدود ۴۰ الی ۵۰ بار این تقسیم را انجام می دهد ولی بعد از این تکرار تقسیم دوتایی، مجبور است برای بقای خود تولید مثل جنسی داشته باشد تا تنوع ژنی زیاد شود. تولید مثل جنسی توسط هسته ی میکرو کنترل می شود که به این روش تقسیم، الحاق، گقته می شود.
تولیدمثل جنسی در پارامسی: دو پارمسی از ناحیه ی شیار دهانی به هم متصل می شوند شیار دهانی سطح شکمی موجود): ابتدا هسته ی ماکرو در سیتوپلاسم حل می شود. هسته ی میکروی هر پارامسی تکثیر می شود و یکی مثل خود را می سازد.هر پارامسی، هسته ی خود را نگه می دارد و هسته ی دیگر را به پارامسی روبرویی می دهد.در مرحله ی بعد این دو هسته با هم ترکیب می شوند و تبدیل به یک موجود جدید می شود (منظور از موجود جدید، پارامسی ای با تنوع ژنی زیاد است) و اصطلاحا استخر ژنی تقویت می شود.
پارامسی معمولا از طریق تقسیم دوتایی میتوز به طور غیر جنسی تولید مثل میکند.ادغام ژن ها در فرایند جنسی و هم یوغی انجام می شود. در هم یوغی دو پارامسی هسته های هاپلویید مادله می کنند؛ این هسته ها با هسته های هاپلویید باقی مانده درون سلول یکی می شوند و به این ترتیب هسته های دیپلویید تشکیل می شود.هسته ی دیپلویید نیمی از هسته ی فرد را دارد.   (زیست شناسی پیش دانشگاهی)
الحاق طی روند هم جوشی و لقاح صورت میگیرد.در مژه داران گامت های مجزا ایجاد نمی شود، بلکه دو جانور هم گونه طی مرحله ی الحاق (Conjugation) به هم می چسبند و باهم تبادل هسته ای انجام می دهند.در اوتوگامی (Autogamy) دو هسته ی گامتی با یکدیگر ملحق می شوند ولی این روند دربدن یک فرد اتفاق می افتد. → زیست جانوری

ورتیسل (ورتیسلا) Vorticella

مژک دار است که این مژک در یک منطقه متمرکز شده است (در ناحیه ی دهانی). بدن آنها از دو قسمت تشکیل شده است

۱. جام، ۲. ساقه: که در ساقه رشته هایی وجود دارد به نام میونم که رشته هایی انقباضی هستند: زمانی که میونم ها منقبض می شوند سلول می تواند تا شود (خم شود)
ورتیسلار به یک جا متصل است (ثابت و بدون حرکت هستند). اگر تقسیم شود و ماده ی غذایی وجود نداشته باشد، مهاجرت می کنند:توسط زنش و انقباض ساقه. می تواند جلبک، خرچنگ، سنگ، ماهی و… محل اتصال ورتیسل باشد.
برای بدست آوردن غذا منقبض می شود و یک حجمی (به اندازه ی خود موجود) در اختیارش قرار می گیرد و از غذای موجود در آب استفاده می کند (که اگر غذا نبود مهاجرت می کند). مژک دور شیار دهانی، زنش دارد.هسته ی ماکرو شبیه یک نعل اسب (منحنی شکل) است (در پارامسی اینطور نیست.) زنش مژک کمک می کند به غذای جاندار.ورتیسل می تواند کلنی تشکیل دهد.
یکی از اختلافات ورتیسل و پارامسی این است که مژک در پارامسی در تمام سلول است اما در ورتیسل فقط در یک ناحیه متمرکز شده است.

استنتور   Stentor

ورتیسل شبیه یک جام است ولی استنتور شبیه یک قیف (شیپور) است. ویژگی اصلی آن داشتن تعداد زیادی هسته ی ماکرو پشت سرهم باشد. مژک در شیارهای دهانی متمرکز است و همچنین شیار دهانی، بزرگ است.میونم ها که در ساقه است در استندور تا بالا رفته ولی در ورتیسل تا بالا نرفته است.
هسته ی میکروهم چندتا دارد ولی پراکنذده است (یعنی پشت سر هم نیستند). بالای قیف بسته است و از شیار دهانی غذای خود را تامیین می کند.ممکن است خود را منقبض کند و سر قیف دیده شود ولی پایین آن دیده نشود.
تفاوت اسنتور، هسته های ماکروی پشت سرهم است و همچنین تفاوت اسنتور  و ورتیسل در این است که ساقه در ورتیسل به شکل یک رشته ی باریک (مثل نخ) است اما اسنتور ساقه ندارد و انتهای شیپوری آن می تواند بلند یا کوتاه باشد. ویژگی آن مثل دو مورد قبل است.
واکوئل انقباضی به شکل حباب و بزرگ است و معمولا یکی دارد (معمولا یکی).

What do single-celled organisms think about? The answer, apparently, is quite a bit more than we give them credit for. Scientists usually frame cellular behavior as “programming”—innate and encoded responses to simple stimuli—rather than as a form of thinking or decision making. But a new study published in Current Biology might challenge that.

“Maybe it’s not that they’re programmed to do something,” says corresponding author and systems biologist Jeremy Gunawardena, “but rather that the program provides them with the machinery for actually making their own minds up.”

Of course, single-celled organisms don’t have “minds.” But Gunawardena and his colleagues seem to have demonstrated that some cells have a say in picking their response to certain stimulants. And it’s not a new concept—the first experiment to show cells reacting freely to their environment took place more than 100 years ago.

Researchers from Harvard Medical School, including Gunawardena, worked to recreate a 1906 study by Herbert Spencer Jennings, which found evidence that when the single-celled, trumpet-shaped organism Stentor roeseli was bothered by an irritant, it decided how to react. A cell avoiding irksome stimuli is easily explained away as a simple reflex, but Jennings claimed to watch different Stentor roeseli cells use different behaviors to accomplish their evasive maneuvers. That’s some complicated behavior to see in a seemingly uncomplicated organism.

Jennings’ original findings showed that little creatures exposed to carmine (a dye made up of crushed insects) reacted in a variety of different ways: bending, altering their ciliates, contracting into a little ball, or detaching. If Jennings exposed individual cells to the irritant several times in a row, they appeared to rethink their anti-carmine strategies—maybe at first bending away from the dye, then squishing up into a protective ball, and then swimming away as a last resort.

When other researchers failed to recreate the study in the sixties the scientific community dismissed Jennings’ results as invalid. All of the organisms in the follow-up study swam away at the first instance of an irritant instead of trying out a variety of mechanisms.

But when Gunawardena went back and looked at the study that supposedly disproved Jennings’ research, he found that they didn’t even use the right organism.

“I couldn’t believe Jennings’ work was trashed because of this shoddy piece of work someone had done,” Gunawardena told Popular Science.

From there, he says, Gunawardena “made a nuisance” of himself in his lab trying to get someone on board to recreate the experiment. Then he and his co-authors (who, luckily for Gunawardena, didn’t decide to curl up into a ball or run away as the result of his prodding) purchased S. roeseli found in a pond on a golf course in England and set out to see just how decisive the little critters really were.

The researchers set up and operated a contraption to videotape and pipette the carmine near the organisms to see what would happen. In Gunawardena’s experiment, the carmine didn’t cause the organisms to do anything at all. But when pelted with tiny plastic microbeads as an alternative source of irritation, the cells displayed the same avoidance mechanisms that Jennings first spotted.

The exact response depended on both the organism itself and the number of times it had been annoyed. Some cells went through all four reactions, while some jumped right to contracting and detaching the first time the beads came coming.

“What’s always been very interesting about this experiment is that it reveals that an individual cell is capable of much more elaborate behavior than we typically give them credit for,” Gunawardena says.

Micheal Travisano, a professor of ecology and evolution at the University of Minnesota who was not involved in the study, says we usually only look for this kind of behavior in more complicated creatures, be they multicellular fungal organisms or apes.

“It challenges our assumptions of what’s necessary to have the kind of complex behaviors that are mostly studied in behavioral ecology,” Travisano says. “In this study, they are studying a ciliate—not even a [a colony of ciliates]—that has some of the behaviors that we associate with much more complex organisms.”

On top of the fact that these cells seemingly decide to take action when irritated instead of merely twitching away, Gunawardena found that it was there was an almost exactly 50/50 chance that when bothered, the cell would either “choose” to contract or “choose” to swim away—almost like flipping a coin. His next steps are to figure out why.

Thinking of individual cells as having some amount of autonomy could allow a new perspective on how disease develops, Gunawardena says. “We might want to bring to our way of thinking about cells a more ecological and cognitive perspective.”