موجودي تك سلولي كه بدون سيستم عصبي، تصميم‌گيري‌هاي پيچيده‌اي می‌كند

عصر پویا _ در سال ۱۹۰۶، جانورشناسي به نام هربرت اسپنسر جنينگز از كشف قابل توجهي خبر داد. او نمونه اي از رفتار هوشمندانه را در يك ارگانيسم آب شيرين كه تنها از يك سلول تشكيل شده بود و استنتور روسلي نام داشت، مشاهده كرد. جنينگز ادعا كرد كه با تحريك زير ميكروسكوپ، اين موجود بي رنگ شيپورمانند، مي توانست تصميم هاي پيچيده اي بگيرد. اين ارگانيسم بدون كمك يك سيستم عصبي، پاسخ خود را براساس سلسله مراتب رفتاري خاصي تغيير مي داد. اين يكي از پيچيده ترين رفتارهايي بود كه تا آن زمان در يك تك سلولي هسته دار گزارش شده بود، هرچند كسي پس از او نتوانست نتايج را تكرار كنند. در نهايت اين ايده كنار گذاشته شد. اكنون، پس از گذشت چندين دهه از كنار گذاشتن اين ايده، به نظر مي‌رسد كه حق با جنينگز بوده است.

پژوهشگران دريافته اند كه استنتور روسلي به محض تحريك شدن، هر كدام از رفتارهايي را كه سال‌ها پيش به وسيله ي جنينگز توصيف شده بود، از خود نشان مي دهد و شواهد قانع كننده اي براي اين تئوري كه مدت ها ناديده گرفته شده بود، فراهم شد. جرمي گاناواردنا از دانشكده پزشكي هاروارد مي‌گويد:

موضوع جذاب در مورد توصيفات جنينگز اين است كه اين پديده نشان دهنده ي تصميم گيري پيچيده اي است كه در آن ارگانيسم در پاسخ به محركي يكسان، ذهن خود را تغيير مي دهد و هربار كار متفاوتي را انجام مي دهد. ما معمولا تصور مي كنيم چنين رفتارهاي شناختي خودمختاري مختص ارگانيسم هاي پرسلولي داراي سيستم عصبي است اما اين جا مي بينيم كه يك موجود تك سلولي نيز چنين قابليت هايي را دارد.

به عنوان مثال، وقتي يك سلول استنتور طبيعي به طور مكرر لمس شود، احتمال اينكه خود را جمع كند (انقباض)، كمتر و كمتر مي شود. اين پاسخ با عنوان خوگيري شناخته مي شود كه شكلي از يادگيري ناهمخوان يا غيرتداعي است. اما چيزي كه جنينگز درمورد استنتور روسلي مشاهده كرد، متفاوت بود. هنگامي كه يك ماده ي شيميايي، اين گونه ي خاص را تحريك مي كند، سلول ابتدا پيچيده و خم مي شود و بخش دهاني خود را دور مي كند. اگر حمله ادامه يابد، سلول با مژك هاي خود ضربه مي زند تا اجازه ندهد چيزي به ناحيه ي دهاني او نزديك شود. اگر باز موفق نشود، سلول منقبض مي شود و اگر هيچ كدام از اين كارها مؤثر واقع نشود، ارگانيسمي كه معمولا ساكن است، كاملا از پايه ي خود جدا مي شود.

سيليات ها (مژك داران) موجودات فوق العاده پيچيده اي هستند كه مدت ها است توجه دانشمندان را به خود جلب كرده اند. اين ارگانيسم ها در برابر برخي از عوامل استرس‌زا داراي پاسخ اجتناب هستند. آن ها در برخورد با عامل خطر، اگر روي سطحي قرار داشته باشند، مي توانند به عقب حركت كنند يا بچرخند و اگر در آب باشند، مي توانند سريع تر شنا كنند. اما درحالي كه ديگر تك سلولي ها رفتارهاي بقاي ساده اي مانند شكار، جهت يابي و جفت گيري را از خود نشان مي دهند، به نظر مي رسد كه رفتار استنتور روسلي بسيار تكامل يافته تر باشد.

اين توالي سه مرحله اي از رفتارهاي متمايز چيزي بود كه موجب شد جنينگز براي اولين بار به وجود رفتارهاي سلسله مراتبي در اين موجود مشكوك شود. اكنون، براي نخستين بار پس از آن زمان، نتايج تكرار شده است. برخلاف مطالعات گذشته كه روي ديگر گونه هاي مژك داران تك سلولي انجام شده بود، اين بار دانشمندان ارگانيسم مناسب را به طور مكرر زير ميكروسكوپ مورد مشاهده قرار دادند. پژوهشگران با قرار دادن استنتور روسلي در محلول، يك ماده ي محرك شيميايي را در پالس هاي متعدد وارد محيط كردند و در همين حين از واكنش ارگانيسم در برابر ماده شيميايي فيلم‌برداري كردند. پس از ۶۰ تحريك كنترل شده، پاسخ ارگانيسم هم ازنظر كيفي و هم از نظر كمي مورد تجزيه و تحليل قرار گرفت. در پايان، دقيقا همان چيزي رخ داد كه جنينگز شرح داده بود. اين ارگانيسم ها به گونه اي رفتار مي كردند كه متمايز از رفتارهاي خوگيري و شرطي سازي معمولي بود. پژوهشگران توضيح مي دهند:

ما رفتار سلسله مراتبي را به عنوان شكلي از تصميم گيري متوالي در نظر مي گيريم كه در آن وقتي موجود به طور مكرر درمعرض تحريكي مشابه قرار مي گيرد، ذهن خود را درمورد پاسخي كه در برابر آن مي دهد، تغيير داده و بنابراين سلسله مراتب رفتاري مشاهده شده را از خود نشان مي دهد.

جابه جايي بين حالت‌هاي مختلف رفتاري نشان دهنده سطحي از تصميم گيري پيچيده است كه معمولا در موجودات داراي سيستم عصبي مشاهده مي شود. اين امر موجب شد كه يك قرن پيش، جنينگز و دانشمند ديگري به نام ژاك لوب وارد نبرد تلخي شوند درمورد اينكه آيا زندگي صرفا مسئله اي فيزيكي شيميايي است يا چيزي به عنوان عامليت سلولي وجود دارد.

اسكات كويل، دانشمند زيست‌شناسي كه در اين پژوهش مشاركتي نداشته است، در حالي كه با اين موضوع موافق است كه نتايج جديد نشان دهنده ي وجود نوعي رفتار سلسله مراتبي است، اين ادعا را كه «ارگانيسم ذهن خود را تغيير مي دهد» را ادعايي انسان انگارانه مي بيند. او مي گويد:

به نظر من، گفتن اينكه «سلول ذهن يا يادگيري خود را تغيير مي دهد»، مفهومي ندارد. اين درك جزئيات پشت صحنه ي نحوه ي رمزگذاري رفتار سلسله مراتبي از نظر سيستم هاي مولكولي ارگانيسم است كه هيجان انگيز است. من مطمئنم كه برخي از افراد اين بحث ها را جالب مي بينند اما از نظر من آن ها تنها موجب سر درگمي و ايجاد استدلال هايي در اين مورد كه آيا اين مسئله يك مسئله مكانيكي است يا ربطي به حيات دارد، مي شود.

اختصاص هر نوع عامليتي به موجودي كه تصميم‌گيري را براساس شانس انجام مي دهد، دشوار است. به عنوان مثال، در اين مطالعه انتخاب استنتور روسلي درمورد جدا شدن يا منقبض شدن، مانند پرتاب سكه است (با احتمالي برابر يكي از اين دو پاسخ را انتخاب مي كند). درحالي كه اين رويكرد براي يك موجود تك سلولي قابل توجه است، مسئله ي «تغيير ذهن» نمي تواند باشد. اينكه چگونه اين ارگانيسم اين سكه ي خيالي را پرتاب مي كند، هنور مشخص نيست و نويسندگان فقط مي توانند تصور كنند كه اين رفتار ممكن است چه مزيت تكاملي داشته باشد. شايد اين رفتار، راهي براي يافتن جفت مناسب بوده يا شايد هم راهي براي اجتناب از صرف هزينه ي بالا براي جدا شدن از يك نقطه و رفتن به منطقه اي است كه شرايط بهتري دارد. اين ها سوالات جذابي هستند اما مكانيك اين سلسله مراتب است كه موجب شگفتي كويل شده است. او پيشنهاد مي كند كه شايد محرك موجب تغيير در قابليت دسترسي كانال هاي يوني تك سلولي شود و اين امر موجب شود كه دورهاي بعدي حمله نتايج متفاوتي داشته باشد. او مي گويد:

از نظر مكانيكي، مي توان تصور كرد كه واكنش هاي خمشي/مژكي در برابر آشفتگي اوليه منجر به تغيير حالت درون سلول مي شود و آن را به منقبض شدن يا جدا شدن مستعدتر مي كند.

نتايج اين پژوهش در مجله‌ي 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.”