Смарт-часы с живым слизевиком

Учёные решили изучить взаимоотношения людей и их гаджетов. Для эксперимента создали умные-часы, работающие только, если живой слизевик, внутри корпуса активен, а не в спячке. Для этого, его нужно подкармливать и поить, иначе, электро-цепь разомкнется, что приведет к остановке роботы системы смарт-часов. Ничего не напоминает? Может, виртуальных питомцев? Некоторые, сразу вспомнили игрушки из 90-х под названием тамагочи.

Прошу обратить внимание на то, кто такие слизевики. Тонкости перевода, некоторые воспринимают как слизняк, а не слизевик. А это очень важно, слизняк – грубо говоря, улитка без панциря. А вот слизевик – напоминает плесень и грибы. Яркий пример слизевика, фильм «Война миров» - красная плесень пришельцев, распространяющаяся на захваченных территориях. Или фильм ужасов «Капля».

Смартфоны, планшеты, смарт-часы и ноутбуки, стали частью повседневной жизни. Научные исследования показывают, что многие люди не могут нормально обходится без личной электроники. Однако, благодаря культу потребления большинство из них, легко расстаются с гаджетами. Покупая новую, интересную технику, оказывается, что мощная начинка и новые функции не нужны владельцу. Просто он отдал дань моды и низкий поклон маркетологам, сделавшие потребителя послушным, ручным питомцем, верующим в то, что нужно обновится.

И кстати, многие из этой публики, выступают за защиту природы и либеральные ценности. А по факту бесконечное приобретение новых гаджетов — это вред природе. Так как, своими поступками стимулируют новое производство: электроники, пластика, аккумуляторных батарей. Это как считать электромобили, безопасными для экологии в езде, не учитывая, какой вред электромобили создают при производстве, техническом обслуживании и утилизации.

А если стать более привязанным к гаджетам? Заставило бы задуматься, прежде чем заменить их?

Вдохновленные игрушками Тамагочи, ставшими легендой в 1990-х годах, ученые из Чикагского университета создали уникальный тип умных часов, функционирующих только, если организм внутри них живой. Да это, тот самый слизевик через которого пропускают ток, используя как проводник.

Жасмин Лу и Педро Лопес, два ученых из Чикагского университета, создавшие интригующие умные часы , хотели посмотреть, изменит ли буквальное воплощение технических гаджетов в жизнь наши отношения с ними. Они создали корпус, прикрепленный к смарт-часам, и поместили внутрь него вид слизевиков, известный как Physarum polycephalum. Чтобы пользоваться одной из ключевых функций аксессуара — мониторингом сердечного ритма — им нужно поддерживать жизнь слизевика, кормя и ухаживая.

Вот как это работает: слизевик помещается в корпус, и когда его кормят смесью воды и овса, он бодрствует. Образуя электрическую цепь, созданную из своего тела. Если организм не поить и не кормить, он засыхает, теряя способность проводить ток и цепь отключается.

Данный функционал замкнут только на работе пульсометра и датчика сердечного ритма. Основной функционал, с дисплеем, будет работать без слизевика.

Интересно, что пользователи могут забыть о своем питомце-слизевике на дни, месяцы или даже годы, поскольку его можно «оживить», возобновив уход за ним. Но ученые хотели знать, влияет ли простое знание того, что там есть живой, спящий организм, отношение людей к гаджету.

«Многие исследования взаимодействия человека и компьютера мотивированы тем, чтобы упростить и ускорить использование вещей», — сказал Лопес . «Но Жасмин считала, что трений должно быть больше; вы должны заботиться о нем и кормить его каждый день, просто чтобы думать о нем. Так что это наполовину произведение искусства, наполовину исследовательская работа».

После тестирования гаджета ученые решили провести небольшой эксперимент: они раздали пять умных часов на основе слизевиков пяти людям на две недели. В течение первой недели участников просили кормить плесень, пока она не выросла достаточно, чтобы активировать функцию мониторинга сердца, а затем, в течение второй недели, их попросили прекратить кормить организм, пока он не высохнет. На протяжении всего эксперимента их просили написать свои впечатления от гаджета и ответить на несколько вопросов.

Результаты показали, что люди стали значительно больше привязываться к своим умным часам, некоторые даже давали им имена или просили других людей кормить их, когда они не могли этого сделать. Еще более шокирующими были реакции на вторую фазу эксперимента, когда участники выражали вину или даже сожаление по поводу того, что их слизевики увядают.

Мы, вероятно, никогда не увидим коммерческую версию этих смарт-часов на основе слизевиков, но идея этого интригующего эксперимента заключалась не в этом. Ученые только хотели подчеркнуть важность эмоциональной привязанности и, возможно, даже вдохновить разработчиков гаджетов на создание устройств, которые вдохновляют на привязанность и взаимную выгоду, вместо обычных инструментов, предназначенных исключительно для потребления.

Физарум многоглавый лат. Physarum polycephalum

Физарум многоглавый (лат. Physarum polycephalum) — вид миксомицетов семейства Физаровые. Является распространённым модельным организмом в генетике, физиологии и биохимии, а также одним из наиболее изученных организмов.

Родовое название Physarum образовано от др.-греч. φυσα — «пузырь». Видовой эпитет лат. polycephalum означает «многоголовый».

Вид получил широкую известность после того, как был представлен в парижском зоопарке, где организм получил название «blob» («слизь», «капля»). Такое имя он получил в честь фильма ужасов «Капля», где инопланетная слизь захватывает целые города, поглощая всё, что попадается по пути.

Вегетативная стадия физарума многоглавого представляет собой плазмодий (одну большую клетку со множеством ядер), обладающим ярко-жёлтым или зеленовато-жёлтым цветом. Известны белые штаммы, полученные в лабораторных условиях.

Спороношения представляют собой спорангии на желтоватых полупрозрачных ножках, реже сидячие, слегка удлинённые. На одной ножке располагается по несколько спорангиев, которые образуют структуру, напоминающую по форме сморчок. Жёлтые или беловатые спороношения в высоту достигают до 1,5 мм, каждый отдельный спорангий — до 0,4 мм в диаметре. Перидий однослойный, тонкий, плёнчатый, плотно орнаментирован белыми или желтоватыми чешуйками извести. Гипоталлус красновато-коричневый, незаметный. Капиллиций плотный, достаточно эластичный, из белых или желтоватых угловатых узелков, заполненных известью и соединённых множеством стекловидных трубочек. Споры в массе чёрные, фиолетово-коричневые в проходящем свете, шаровидные, с равномерно утолщенной оболочкой, 9—11 мкм в диаметре. Покрыты мелкими бородавками, образующие по 2—4 споры на видимой части споры.

Образует обширные спороношения на гнилой древесине, часто на плодовых телах базидиомицетов. Формируются спороношения на близлежащих, часто нетипичных субстратах.

Движение плазмодия обеспечивается за счёт взаимодействия актина и миозина при участии ионов Ca²⁺. Сокращения этих белков проталкивают цитоплазму тяжей по направлению движения плазмодия. Как и в мышцах животных, работа сократительных белков требует затрат АТФ для преобразования химической энергии в механическую.

«Интеллект»

Плазмодии физарума многоглавого способны выбирать кратчайшее расстояние между источниками пищи. В экспериментах маленькие кусочки плазмодиев физарума помещали в лабиринт. Когда они заполняли всё пространство лабиринта, у входа и выхода помещали два блока с измельчёнными овсяными хлопьями. В течение четырёх часов цитоплазменные тяжи в тупиковых и более длинных ходах утончались и исчезали. Ещё через четыре часа плазмодий сформировал единственный утолщённый тяж по самому короткому пути между источниками пищи. Авторы работы сделали вывод о наличии у физарума примитивного интеллекта. Тем не менее в некоторых случаях плазмодии выбирают более длинный путь, так как выбор пути происходит в один шаг, без просчитывания всех возможных решений. Кроме того, поведение миксомицета в лабиринте можно описать в терминах градиента пищевых сигналов.

Схожий эксперимент был проведён в 2010 году. Исследователи поместили плазмодий физарума на карту центральной Японии, в которой на местах, соответствующих 36 крупнейшим городам, расположили источники пищи. В области, соответствующие горам и озёрам, направили свет различной интенсивности, который плазмодий избегает. В поисках пищи миксомицет сначала занял всё свободное пространство, а затем оставил лишь толстые цитоплазматические тяжи, соответствующие железным дорогам. Созданная им транспортная сеть почти полностью повторяла существующую транспортную сеть Японии. Таким же образом были смоделированы транспортные сети Великобритании, Испании и Португалии, а также Римской Империи на Балканах. Некоторые авторы предлагают использовать подобное моделирование для поиска ещё не открытых римских дорог.

Плазмодии физарума демонстрируют способность к запоминанию воздействия на них. Так, в эксперименте, проведённом в 2008 году, слизевик поместили на узкую дорожку в инкубатор с контролируемыми температурой и влажностью. Миксомицет мигрировал вдоль дорожки при благоприятных условиях. Затем условия три раза через равные интервалы времени меняли на более сухие и прохладные, что вызывало замедление движения миксомицета. В результате в благоприятных условиях он также замедлял своё движение в тот момент, когда ожидалась следующая стимуляция. Если дальнейшей стимуляции не происходило, физарум «забывал» о ней спустя 2 цикла. Но при её повторении плазмодий вновь замедлялся, ожидая новую стимуляцию.

Physarum polycephalum (лат. polycephalum — многоголовый), представляет собой необычную и удивительную форму жизни. Не только ученым трудно сопротивляться обаянию этих странных существ: у организма масса поклонников по всему миру. Благодаря своим неординарным качествам и способностям, этот миксомицет предоставляет широчайшее поле для различных исследований: автоколебательные процессы и процессы самоорганизации, немышечная активность, клеточная подвижность, процессы памяти и интеллекта. Открываются всё новые и новые способности миксомицета, поднимающие споры и заставляющие по-новому взглянуть на устоявшиеся понятия.

На первой стадии своего жизненного цикла P. polycephalum представляет собой почвенную амёбу. Амёбы обладают гаплоидным набором хромосом, то есть являются половыми клетками слизевика. Сначала они живут отдельно, но когда пищи в среде становится недостаточно, начинается их агрегация — формируется псевдоплазмодий. Оказывается, каждая амёба оставляет особый химический след; другие амёбы, следуя по нему, образуют скопления, что повышает концентрацию следа и привлекает всё больше амёб. При слиянии половых клеток возникает зигота, которая превращается в вегетативное тело — плазмодий. Плазмодий имеет ведущий веерообразный фронт и следующую за ним сеть разветвленных трубочек (тяжей), напоминающую кровеносные сосуды. На стадии плазмодия миксомицет становится виден невооруженным глазом, представляя собой одноклеточную желтоватую массу, которая стремительно разрастается до внушительных размеров. Благодаря этой особенности плазмодий занесен в Книгу рекордов Гиннесса (1989 г.) как самый большой одноклеточный организм: клетка толщиной около 2 мм достигала площади 5,54 м2! Деление ядер Physarum на стадии плазмодия не сопровождается цитокинезом, что позволяет ему оставаться многоядерной клеткой, окруженной единой мембраной, при этом деление ядер в плазмодии хорошо синхронизировано. Это делает миксомицета идеальным инструментом для ученых, изучающих митоз и процессы ядерного деления.

На стадии плазмодия организм обычно имеет желтую окраску (ее интенсивность может меняться в зависимости от условий среды). В природе он предпочитает влажную среду и чаще всего встречается на гниющей древесине и листьях. Не брезгуя ничем, это чудовище поглощает всё на своем пути — бактерий и прочих микробов, споры грибов (см. видео под рис. 1). Обволакивая пищу и образуя «питательные вакуоли» с пищеварительными ферментами, он впитывает необходимые вещества (процесс фагоцитоза). Чем больше питательных веществ и благоприятнее среда, тем больше по размеру будет плазмодий. Возможно, быстрый рост пульсирующих и передвигающихся плазмодиев пугал людей, которые принимали их за космических пришельцев, что, в свою очередь, вдохновило кинематографистов на создание фильма ужасов «Слизь» (The Blob, 1958).

Если в среде становится недостаточно влаги или снижается температура, плазмодий высыхает, образуя твердый склероций — состояние покоя. В такой форме слизевик остается защищенным на продолжительное время. Как только условия вновь становятся благоприятными, склероций переходит в плазмодиальную форму. В условиях ограниченного питания плазмодий прекращает движение и переходит в репродуктивную фазу, формируя стебли спорангиев и образуя споры. Споры чрезвычайно устойчивы к неблагоприятным факторам среды и могут сохраняться в состоянии покоя до нескольких десятилетий, пока условия не позволят им прорасти и образовать новые амебоидные клетки.

Миксомицеты, к которым в настоящее время относится P. polycephalum, — эволюционные аутсайдеры, застрявшие между двумя огромными царствами — животных и растений. Из-за перечисленных особенностей образа жизни их долгое время не могли классифицировать. В 1833 году Линк (Link) предположил, что миксомицеты — это вид плесени, относящийся к царству грибов. Однако способность передвигаться и отсутствие хитина в клеточных стенках явно выбрасывают миксомицетов за пределы этого царства. В 1859 году де Бари (Anton de Bary) указал на родственность слизевиков с одноклеточными простейшими и ввел для них название «грибоживотные» — ныне класс Mycetozoа, истинные миксомицеты.

Современные систематики, признавая сходство миксомицетов с грибами, относят их вместе с водорослями и одноклеточными эукариотами к царству Протисты (Protista), которое можно охарактеризовать как «всё, что на самом деле нам непонятно». P. polycephalum входит в отдел Protozoans (sin: Myxomycota) и относится к классу истинных миксомицетов (Myxomycetes, syn: Mycetozoa). Исторически сложилось, что они долгое время изучались микологами, поэтому описание слизевиков по-прежнему можно встретить в учебниках микологии.

В лабораториях плазмодий выращивают по стандартному методу в чашке Петри, используя в качестве влажной подложки агаровый гель (тот самый агар-агар, применяемый для производства мармелада или зефира), а «любимой» пищей плазмодия являются обычные овсяные хлопья. Как видите, имея склероций или споры плазмодия, каждый может завести себе неприхотливого питомца. Одна из фирм продает специальные наборы, содержащие все необходимые средства для его культивирования и инструкцию.

Плазмодий — это масса протоплазмы, которая морфологически дифференцирована на две зоны: внешнюю, относительно стационарную гелеподобную эктоплазму, и внутреннюю, жидкую эндоплазму, текущую в тяжах. Диаметры цилиндрических тяжей (жилок) разнятся в диапазоне 40–500 мкм. Каким же образом передвигается плазмодий? Оставаясь одной клеткой, миксомицет применяет амебоидный способ передвижения. Играя важную роль в процессах морфогенеза, роста опухолей, иммунитета и др., этот тип локомоции свойственен и многим тканевым клеткам — например, лейкоцитам и фибробластам. Так что все мы немного амёбы, а главное — закономерности движения, выявленные на модельном организме, могут быть перенесены на эти клетки.

Можно выделить следующие этапы локомоции P. polycephalum: вытягивание псевдоподии на ведущем фронте, прикрепление ее к субстрату и подтягивание остальной части клетки.

Оказывается, в теле плазмодия имеются своеобразные мускулы, сокращение которых позволяет миксомицету двигаться. Эктоплазма содержит продольные, круговые и радиальные фибриллы, состоящие в основном из нитей белка актина. Сокращение стенок тяжей осуществляется благодаря процессу построения и разрушения актин-миозиновых филаментов и зависит от концентрации свободного Са2+, как и в мышечных клетках. Интересно отметить, что актин и миозин плазмодия имеют одинаковый аминокислотный состав с мышечными белками, поэтому актин плазмодия с легкостью формирует комплекс с мышечным белком, то есть вся реакция протекает аналогично реакции в мышцах животных. Актиновые фибриллы эктоплазмы, последовательно сокращаясь, сжимают жидкую эндоплазму, продавливая ее вдоль тяжа. Таким образом, клеточное движение реализуется путем преобразования химической энергии в механическую за счет сократительных белков, а энергия для этого процесса обеспечивается в ходе гидролиза аденозинтрифосфата (АТФ). Обнаружены два типа колебаний эндоплазмы: частые, с периодом приблизительно 1,3 минуты, меняющиеся в диапазоне 1–5 минут в зависимости от внешних условий, и совмещенные с ними низкочастотные колебания с периодом около 20 минут, связанные с модуляцией амплитуды сократительной активности.

Направленное движение у P. polycephalum происходит вследствие того, что объем эндоплазмы, текущей в одном направлении, становится больше, чем в противоположном. Таким образом, плазмодий способен двигаться в сторону привлекающих химических веществ (аттрактантов) — например, еды — или, наоборот, уходить от отпугивающих веществ (репеллентов), а также реагировать на условия, предпочитая более влажную и неосвещенную среду. В поисках питания плазмодий охватывает большую территорию, распластываясь по ней, при этом масса его тела остается неизменной. Когда пища обнаружена, остальная масса перетекает по тяжам к этому месту. Скорость плазмодия зависит от его размеров; большие экземпляры способны развивать внушительную скорость — около 1 см/ч.

Плазмодий как автоволновая система

Пространственно-временная организация плазмодия настолько сложна, что пока простейшие задающие осцилляторы колебаний плазмодия не определены. Движущие силы токов плазмы в плазмодии еще сравнительно мало изучены; известно только, что спонтанно возникающие гидродинамические неустойчивости приводят к возникновению круговых или возвратно-поступательных потоков. Наряду с колебаниями механических параметров, в эндоплазме плазмодия наблюдаются колебания химических компонент, например, мембранного потенциала, концентрации ионов Ca2+, NADH, молекул АТФ. Таким образом, плазмодий — это активная среда, в которой происходят автоволновые процессы (самоподдерживающиеся нелинейные волны), обусловливающие поведение плазмодия. Если разделить организм на кусочки, каждый из них примерно за 10–15 минут восстановит колебательную активность и будет существовать как самостоятельный организм. Это означает, что генератор колебания и сам сократительный аппарат распределены по всему организму.

Растяжение тяжа вызывает увеличение амплитуды его колебаний, что говорит о важной роли механических колебаний в регуляции динамики клетки. С учетом этого была разработана автоволновая модель плазмодия. Создатели модели отмечают, что сократительный аппарат клетки в данном случае становится частью клеточной системы управления — аналогом нервной системы.

Система дыхания плазмодия неразрывно связана с его сократительной активностью, генерирующей движение. Поскольку источником энергии для сокращения является молекула АТФ, то, воздействуя на процесс дыхания, можно опосредованно оказывать влияние на двигательную активность плазмодия. Знание этой зависимости помогло провести эксперимент, где неинвазивно регистрировалась внутренняя динамика плазмодия. С помощью знакочувствительного доплеровского микроскопа (прибор мог определять направление движения эндоплазмы) были получены временны́е зависимости скорости движения эндоплазмы в отдельном тяже плазмодия в стандартных условиях и при воздействии ингибиторов клеточного дыхания (цианистого калия и салицилгидроксамовой кислоты), которые блокируют синтез АТФ и, как следствие, вызывают остановку движения. Спектральный анализ этих зависимостей помог выявить два четко выраженных пика, появляющихся независимо от условий регистрации и соответствующих гармоническим вкладам в исходный сигнал, частота которых различается ровно в два раза. Таким образом, существует по крайней мере два АТФ-зависимых осциллятора, генерирующих сокращения плазмодия, либо один, но его частота каким-то образом удваивается и сдвигается по фазе.

Вообще, построению моделей движения плазмодия и вопросам клеточной регуляции этой сложной системы посвящается множество замечательных исследований, которые в будущем смогут объяснить пока что необъяснимое поведение плазмодия. Об этом — далее.

Спорангии физарума многоглавого

Iq-тесты для плазмодия

Не так давно в СМИ поднялся шум о существовании «интеллекта у плесени», и множество статей засыпало просторы интернета. Какие же исследования дали основу для таких заключений журналистов?

В начале 2000-х годов японский ученый Тосиюки Накагаки из Университета Хоккайдо вместе с коллегами провел следующий эксперимент: отдельные кусочки плазмодия были помещены в небольшой лабиринт; спустя некоторое время они начали разрастаться, сливаясь друг с другом и заполняя весь лабиринт. Затем на входе и выходе лабиринта поместили агаровые блоки, содержащие измельченные овсяные хлопья, и всего через четыре часа плазмодий начал оптимизировать свою сеть тяжей. Тяжи в тупиковых ходах и на более длинных путях постепенно истончались и исчезали. Еще через четыре часа миксомицет сформировал утолщенный тяж по наикратчайшему пути между источниками еды. Стоит отметить, что сначала плазмодий нашел еду, затем, прогнав питательные вещества по телу, начал формироваться наиболее оптимально, соединяя оба источника питания. При этом плазмодий мог выбирать более короткое расстояние из различающихся на 22% (α1 и α2 на рис. 4), но небольшую разницу в 2% (β1 и β2) он уже не учитывал. Был сделан логичный вывод, что плазмодий, повышая шансы на выживание, выбирает самый эффективный способ получения питательных веществ. А еще прозвучало утверждение, которое, собственно, и произвело мировой резонанс: «...одноклеточные создания могут проявлять примитивный интеллект». Японское исследование было опубликовано в небезызвестном Nature, а его участники в 2008 году даже удостоились Шнобелевской премии (Ig Nobel prize, от англ. ignoble — постыдный) в области когнитивных наук «за исследования, которые сначала заставляют смеяться, а потом — задуматься».

В 2009 году Накагаки и его коллеги поместили плазмодий... в Токио, и спустя 23 часа монстр захватил все крупные города Японии! К счастью для местных жителей, плазмодий распространился всего лишь на карте, концентрируясь вдоль основных транспортных маршрутов (дело в том, что на месте 36 крупных городов размещались овсяные хлопья). Как видно на фотографиях эксперимента (рис. 5 и видео под ним), плазмодий сначала распространился по всей площади, находя источники питания (как и в исследовании 2000 года), а затем сформировал основную структуру. Таким образом получилась почти точная копия железнодорожной сети, соединяющей города Японии. Расчеты показали, что в местах несовпадений слизевик разработал более выгодный, чем воплощенный людьми, маршрут. Работа была опубликована в журнале Science — и Тосиюки не удалось избежать повторного присуждения Шнобелевской премии в 2010 году, на этот раз в области транспортного планирования.

Хотя задача соединения точек не кажется сложной, поиск наиболее оптимального и экономного способа их соединения требует сложных математических вычислений. Вызвав массу сомнений, эксперимент быстро «разошелся» по другим лабораториям. Так, например, были получены модели сетей шоссейных дорог на картах Англии и Испании, в некоторых случаях включающие расширения и изменения, сделанные в последнее время из-за неоптимального изначального планирования. Исследование наглядно продемонстрировало способность слизевика планировать транспортные маршруты не хуже профессиональных инженеров. Естественно, миксомицет не способен учитывать ландшафтные особенности, поэтому дает картину только для идеальных условий. Однако это не умаляет перспектив применения Physarum polycephalum для поиска оптимальных решений как в инженерных, так и в биологических системах. Возможно, в будущем с их помощью можно будет строить инфраструктуру с улучшенной архитектурой, более эффективные и быстрые информационные сети, линии электропередач, а также применять их в исследовании самоорганизующихся сетей (массивов датчиков, беспроводных ячеистых систем).

Стоит ли после этих исследований спешить с утверждениями об интеллектуальных способностях плазмодия? В эксперименте Бартоша Гжибовского (Bartosz A. Grzybowski) лабиринт проходит капля минерального масла, насыщенного жирными кислотами, гидрофильные группы которых выходят наружу, в водную фазу с щелочным pH. В случае, если pH среды снижается, возникающая разность потенциалов по сторонам капли вынуждает ее двигаться в направлении кислоты. Таким образом, капля, проявляя хемотаксис, продвигается в лабиринте по градиенту pH в сторону кислоты. Значит ли это, что секрет похожего поведения плазмодия, скорее всего, кроется в проявлении положительного хемотаксиса по отношению к хемоаттрактивной овсянке? Рассмотрим еще пару интересных экспериментов.

Построение железнодорожной сети Японии плазмодием физарума многоглавого

Группа молодого исследователя Кристофера Рида (Chris Reid) из Сиднейского университета в своем эксперименте обнаружила, что плазмодий при движении оставляет за собой след из слизи, и в дальнейшем при поиске пищи избегает уже пройденных участков . Таким образом, слизь как бы управляет «памятью» слизевика, помогая ему находить новые пути. Для подтверждения этого предположения исследователи поместили Physarum polycephalum в U-образную ловушку из сухого ацетата, так что плазмодий не мог двигаться по ней, а только по контуру. Препятствие блокировало путь к двухпроцентному раствору глюкозы. В результате эксперимента 23 из 24 миксомицетных экземпляров смогли обойти ловушку и найти сахар в пределах 120 часов, при этом не возвращаясь на уже пройденные и покрытые слизью участки. Затем поверхность чашки Петри покрыли внутриклеточной слизью, и в этом случае только треть организмов (8 из 24) достигла цели в пределах установленного временнόго лимита, причем организмы возвращались на ранее пройденные участки. Исследователи также предположили, что Physarum polycephalum может распознавать слизь, оставленную другими видами миксомицетов.

В данном случае внешняя пространственная память — ответная реакция примитивных организмов на химические вещества, накопленные в окружающей среде, — может быть функциональным предшественником внутренней памяти высших организмов. Найденные простейшие механизмы памяти будут полезны инженерам и программистам, работающим над усовершенствованием системы преодоления препятствий у роботов.

Было показано, что плазмодий каким-то образом умудряется выбирать именно ту пищу, которая соответствует его потребностям. Каким образом он определяет этот баланс, непонятно, однако известно, что он предпочитает пищу с соотношением углеводы: белок, равным 1:2, а углеводной пищей не злоупотребляет. Позже ученые из уже упомянутого Университета Сиднея продемонстрировали, как Physarum может перебирать варианты и делать наилучший выбор. Эксперимент был направлен на проверку способности плазмодия принимать решение с учетом компромисса «скорость—точность», который свойственен многим высшим животным. Плазмодий должен был выбрать наиболее подходящую пищу в стандартных условиях и в условиях стресса (яркий свет). На выбор были представлены питательные блоки, содержащие овсянку в концентрациях 2, 6 и 10%. Ожидания оправдались: плазмодий в условиях голода всегда выбирал более калорийный блок, однако когда пищу помещали вокруг плазмодия на непродолжительное время (поспешное решение) или же плазмодий подвергался повышенному освещению (стресс), выбор очень часто оказывался неудачным. Важно отметить, что абсолютно такое же поведение свойственно и нам.

Группа японских ученых обнаружила, что Physarum polycephalum обладает своеобразной памятью. При изменении внешних условий скорость перемещения слизевика меняется: например, при пониженной влажности слизевик замедляет движение. Такое поведение плазмодия ученые использовали в исследовании влияния на него периодических неблагоприятных условий.

Плазмодий Physarum polycephalum

Миксомицета поместили на узкую полосу в инкубатор с контролируемыми температурой и влажностью. Сначала организм мигрировал вдоль полосы при 26 °С и влажности 90% (благоприятные условия); затем условия окружающей среды на 10 минут меняли на более прохладные (23 °С) и сухие (влажность 60%): это так называемая «сухая стимуляция», которая повторялась последовательно три раза через постоянные интервалы времени (50–60 минут). В ответ на такое воздействие слизевик каждый раз замедлял скорость движения. Когда условия вновь становились благоприятными, плазмодий самостоятельно снижал скорость движения, как бы ожидая воздействия во время, когда должна была повториться «сухая стимуляция». Если воздействие не повторялось, то уже после двух циклов плазмодий «забывал» о стрессе, однако после возобновления стимуляции «память» возвращалась. «Предвидение» стресса и остановка движения без реальной стимуляции у некоторых особей (примерно у 10%) сохранялись до трех раз, а дважды повторялись у 20%.

Исследование сложного поведения примитивных организмов имеет большое значение для понимания общих механизмов поведенческих реакций и их эволюции. Понятие памяти принято связывать с наличием нервной системы и мозга, но, как можно видеть, лишенный мозга организм тоже справляется с задачей запоминания информации. Разбираясь в механизмах памяти, можно обратиться к рассуждениям Марка Шлянкевича. В его статье приводится гипотеза Стюарта Хамероффа Ultimate Computing, согласно которой хранилищем памяти могут служить микротрубочки тубулина в цитоскелете. Эта гипотеза вполне могла бы объяснить наличие памяти у одноклеточного организма, если бы не продолжала оставаться гипотезой и по сей день.

Исходя из вышеописанных экспериментов, можно ли действительно заключить, что Physarum polycephalum, так сказать, sapiens? Скорее всего, по приведенным стандартам многие биологические системы можно назвать разумными. Поведение слизевика определяется реакцией на окружающую среду — отточенной в ходе эволюции способностью принимать и обрабатывать информацию. Подобные качества можно обнаружить у различных примитивных организмов. Интеллектом же в классическом понимании обладают только высшие организмы, наделенные нервной системой и мозгом. В таком случае нам, возможно, нужно либо пересмотреть само понятие «интеллект», либо принять его проявление в отличной от устоявшейся форме.

Амбициозный слизевик завоевывает сферу электротехники

Клаус-Петер Заунер (Klaus-Peter Zauner) из британского Университета Саутгемптона совместно с коллегами из Университета Кобе (Япония) разработал биоробота на основе плазмодия. Плазмодий находился в кювете в форме звезды с шестью концами и был дистанционно подключен к шестиногому роботу. Принцип действия установки заключался в непереносимости плазмодием яркого света, которого он старается избегать, мигрируя в более комфортные условия. Таким образом, перемещение слизевика, вызванное раздражением от света, проецировалось на конечности робота и приводило его в движение. Естественно, скорость передвижения «плазмобота» была низкой, однако замечателен сам механизм его функционирования, который продемонстрировал возможность управления роботом всего лишь одной клеткой.

А.И. Адамацкий (Andrew Adamatzky, University of the West of England, UK) считает — и с этим трудно не согласиться, — что плазмодий всего лишь подчиняется биологическим, физическим и химическим законам. С помощью электронных датчиков, подключенных к агаровым каплям с миксомицетом, были получены электрические сигналы плазмодия в различных состояниях. Кроме того, по полученным зависимостям напряжения от времени можно было отследить и расшифровать определенные сигналы, связанные с состоянием плазмодия.

Более того, ученые конвертировали эти данные в спектрограммы, сопоставив активность разных электродов со звуками разной частоты, и воспроизвели звуковую запись. Прослушать, о чём поет плазмодий, можно на видео. По словам исследователей, в такой форме пространственно-временное поведение миксомицета более удобно для восприятия.

Также команда Адамацкого обнаружила мемристивные свойства плазмодия, пропуская через тяж ток различного напряжения. Такие же свойства ранее были обнаружены у человеческих кожи и крови. Мемристор — это резистор с памятью, сопротивление которого в цепи меняется под действием приложенного напряжения, и, таким образом, мемристор в каждый момент времени обладает своего рода памятью о том, что происходило в электрической цепи прежде. Теоретически по ёмкости и скорости этот элемент превосходит современную флеш-память и позволяет даже заменить Random Access Memory (RAM) — один из видов памяти компьютера, — и всё это без расходования энергии.

Пока срок работы такого плазмодиального мемристора составляет 3-5 дней; однако разработчики надеются, что, если удастся продлить это время, на основе P. polycephalum можно будет создать биокомпьютер, электронные схемы которого оставят классическую электронную промышленность далеко позади.

В одной из работ ученые успешно смоделировали поведение плазмодия с помощью мемристоров в LC-контуре, основываясь на том, что способность мемристора «запоминать» свойственна и слизевику. Хотя исследование всё же не объясняет явления, происходящие в плазмодии, электронная схема с мемристором прекрасно моделирует его поведение. Положительное напряжение в схеме соответствовало благоприятным условиям, отрицательное — неблагоприятным. За скорость движения плазмодия отвечало напряжение на мемристоре. При подаче отрицательного напряжения колебания в контуре быстро затухают. Однако если несколько раз повторять действие, и при этом период прилагаемого напряжения будет похож на период контура, напряжение на мемристоре в определенный момент запомнит неблагоприятные события, и при напоминании отрицательным импульсом будет замедлять колебания. Как мы видим, аналогичный японскому  принцип обучения привел к такому же результату.

Многие слышали о так называемых lab-on-a-chip — «лабораториях на чипе». Physarum и здесь нашел применение. Полезными вновь оказались хемотаксические способности организма. Раскладывая вокруг плазмодия овсяные хлопья и соль, исследователи вырастили из него логические элементы «исключающее ИЛИ» и «ни X, ни Y». В перспективе с помощью данной сети можно будет программировать лабочипы.

Большие надежды

Пока что при исследовании плазмодия Physarum polycephalum появляется больше вопросов, чем ответов. Но это только доказывает, что впереди нас ожидают еще более удивительные открытия в самых различных сферах — от эволюционной биологии до робототехники. В последнее время проводится множество конференций, посвященных персонально Physarum polycephalum, на которых обсуждаются достижения в разгадке тайн этого миксомицета.

Одноклеточный слизевик без мозга анализирует растяжение поверхности для поиска нужных ему объектов

Исследователи Гарвардского и Тафтского университетов в США обнаружили ещё одно интересное свойство слизевика Physarum polycephalum. Оказалось, что он может ориентироваться в пространстве при полном отсутствии химических стимулов. Слизевик самостоятельно рос по направлению к более крупным объектам в полной темноте, ориентируясь по изменению растяжения агара в чашке петри.

Слизевик Physarum polycephalum представляет собой одну-единственную клетку с множеством ядер (плазмодий), вырастающую до толщины в 2 мм и площади 5,5 м2. Он способен передвигаться со скоростью до 5 см в час, питаться практически всем, что встречается на пути, и переживать продолжительные периоды засухи.

У P. polycephalum нет мозга, но он может выполнять вычисления, схожие с мышлением. Например, в 2000 году слизевик нашёл кратчайший путь из лабиринта, на конце которого учёные положили овсяные хлопья. В исследовании 2009 года учёные подтвердили способность P. polycephalum находить кратчайшие пути к питательным веществам и перестраивать по ним свои тяжи. Исследование 2010 года показало, что слизевик умеет перебирать варианты источника пищи, выбирая наиболее подходящий. Кроме того, он не возвращается на уже пройденные им места. Это происходит благодаря слизи, выделяемой им во время движения. Как предположили исследователи, P. polycephalum также способен отличать свою слизь от слизи других организмов.

Во всех прошлых экспериментах слизевика стимулировали либо светом, либо питательными веществами и температурой. В новом исследовании американские учёные решили провести эксперименты без использования подобных стимулов и посмотреть, как P. polycephalum будет ориентироваться в пространстве.

Для эксперимента авторы взяли чашки петри, покрытые агаровым гелем. По краям чаши они расположили несколько стеклянных дисков — три диска с одной стороны и один на противоположной. В центре расположили небольшой образец P. polycephalum.

Поскольку слизевики обладают светочувствительностью, исследователи поместили чашки петри в тёмное место. Первые 12—14 часов P. polycephalum разрастался равномерно по всем направлениям. После появлялся длинный тяж, в 70 % случаев направленный прямиком к трём стеклянным дискам у края чаши. Если исследователи располагали три диска друг на друге, слизевик распознавал их как один диск и выпускал два тяжа по направлению к обоим противоположно расположенным дискам.

Чтобы понять причины такого поведения, исследователи смоделировали, как деформируется агар при изменении положений дисков. Оказалось, что слизевик реагирует на напряжение в окружающей среде, создаваемое растяжением агара. Если площадь деформации больше, P. polycephalum расценивает это так, будто там находится больший по размеру объект, и тянется к нему.

Исследователи предположили, что подобная ориентация происходит за счёт рецепторов, схожих с TRP-каналами, расположенными в плазматической мембране множества организмов. Они способны улавливать изменение давления и растяжения. Авторы обработали слизевика препаратом, блокирующим действие TRP-каналов. В итоге он потерял способность ориентироваться по растяжению. После обработки слизевик рос по направлению к большему объекту только в 11 % экспериментов.

На примере P. polycephalum учёные планируют узнать больше о примитивном «сознании» простейших организмов, благодаря которому они ориентируются в пространстве. Сейчас учёные работают над поиском момента, в который P. polycephalum переключается на целенаправленный рост к большему объекту, и рассматривают другие физические факторы, влияющие на поведение слизевика.

720 полов

Все мы помним, что у людей пол определяется комбинацией хромосом, которые несут сперматозоид и яйцеклетка. Новая клетка при их слиянии будет с ХХ-хромосомами (женщина) или XY-хромосомами (мужчина).

У слизевика все обстоит намного интересней. Пол этого товарища определяется тремя различными местоположениями или «локусами» на их хромосомах, каждая из которых имеет много разных генных вариаций. Ученые подсчитали, что этих комбинаций половых хромосом может быть до 720. И каждая из них будет являться, строго говоря, отдельным полом. Другое дело, что двум спорам слизевика нет необходимости быть одинаковыми, иначе они бы искали себе партнера для спаривания всю свою жизнь.

Ученые пытаются использовать необычные способности физариума. Так в мае 2007 года исследователи из Саутгемптона (Великобритания) сумели сконструировать необычный чип, который управлялся не проводами и транзисторами, а Physarum polycephalum. Чип подключался к компьютеру через обычный интерфейс USB.

Создатели биочипа использовали положительную реакцию физарума на пищу и отрицательную на свет. Тело слизевика многоголового поместили в специальную емкость с подведенными к ней трубками. По ним физарума снабжали питательными веществами, а сам гриб был окружен многочисленными электродами, фиксирующими реакцию организма.

Созданный таким образом биочип в течение нескольких секунд обнаруживал присутствие органических соединений в жидкостях. Ученые полагают, что этот алгоритм можно использовать для определения наличия в жидкости различных веществ, в том числе и ядовитых.Сейчас гриб живет в микрочипе всего неделю, но исследователи надеются, что сумеют увеличить продолжительность его жизни.

Если поразмыслить над вышеописанными экспериментами, можно ли действительно заключить, что Physarum polycephalum, так сказать, sapiens? Разумное существо?

Источник:

 Показать / Скрыть текст