http://phct-biotechnology.ru
Оглавление

Примитив не приговор, или Physarum polycephalum разумный

  • 2560
  • 6,8
  • 0
  • 0
Добавить в избранное
«Как же неудобно спланирована эта транспортная сеть!» Рисунок автора статьи.

Статья на конкурс «био/мол/текст»: В своем фантастическом рассказе «Хозяин бухты» Север Гансовский описал необычного морского хищника с удивительной способностью собираться из микроскопических клеток в единое существо и так же легко вновь распадаться на отдельные клетки. Оказывается, подобное существо вполне можно встретить — это слизневая плесень Physarum polycephalum. Чем же этот одноклеточный организм впечатляет ученых?

Он всё, и он ничего. Сейчас он есть, а сейчас его нету.

Север Гансовский. Хозяин бухты

Речь пойдет об одноклеточном миксомицете Physarum polycephalum (лат. polycephalum — многоголовый), который 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.

Внешность обманчива

Афиша фильма «The Blob»

Рисунок 1. Афиша фильма «The Blob» 1958 года. В 1988 году был снят одноименный ремейк с усовершенствованными спецэффектами и сюжетными изменениями.

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) (рис. 1).

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 [1].

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 (рис. 2), 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 [2].

Physarum polycephalum

Рисунок 2. Миксомицет Physarum polycephalum. Слева — на стадии плазмодия в природе, справа — выращенный в лабораторных условиях, в чашке Петри на агаровой подложке с овсяными хлопьями. Рисунки с сайтов www.flickr.com и www.ecs.soton.ac.u.

«Рожденный ползать летать не может!»

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. Можно полюбоваться красивым видео, демонстрирующим движение плазмодия:

Поперечное сечение тяжа плазмодия

Рисунок 3. Поперечное сечение тяжа плазмодия в состояниях релаксации и сокращения. Рисунок с сайта cronodon.com.

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 (рис. 3) осуществляется благодаря процессу построения и разрушения актин-миозиновых филаментов и зависит от концентрации свободного Са2+ [3], 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 [4]. 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 [5].

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 [6]. 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 [7]. 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.

Iq-тесты для плазмодия

Одноклеточные организмы постоянно
удивляют ученых своими способностями...
Эти замечательные существа заставляют
пересматривать наши представления об интеллекте.

Кристофер Рид, Университет Сиднея

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

В начале 2000-х годов японский ученый Тосиюки Накагаки (рис. 4, слева) 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 (рис. 4, справа). 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» [8]. 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».

Слизевик-интеллектуал

Рисунок 4. Слизевик-интеллектуал и его дрессировщик. Слева — Двукратный лауреат Шнобелевской премии Тосиюки Накагаки (2008 г. — в области когнитивных наук, 2010 г. — за планирование транспортных сетей). Справа — Эксперимент по преодолению лабиринта плазмодием Physarum polycephalum: а — синие линии показывают возможные наикратчайшие пути между блоками агара с измельченными овсяными хлопьями (AG): α1 = 41 ± 1 мм, α2 = 33 ± 1 мм, β1 = 44 ± 1 мм, β2 = 45 ± 1 мм; б — через четыре часа плазмодий нашел все возможные маршруты между агаровыми блоками, плазмодиальные тяжи в тупиковых ходах постепенно истончились и исчезли; в — еще через четыре часа был выбран самый короткий путь; г — цифры показывают частоту, с которой выбирался определенный маршрут. Рисунки с сайта phys.org и из [8].

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 [9] — и Тосиюки не удалось избежать повторного присуждения Шнобелевской премии в 2010 году, на этот раз в области транспортного планирования.

Слизевик оккупирует Японию

Рисунок 5. Слизевик оккупирует Японию: снимки второго шнобелевского эксперимента Накагаки. Овсяные хлопья размещены на обозначениях крупных городов Японии. Видно, как через 26 часов плазмодий сформировал единую сеть тяжей между хлопьями. Рисунок из [9].

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 [10]. 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.

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 [11]. 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 (рис. 6). 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.

Проверка навигационной способности плазмодия

Рисунок 6. Классический тест (из области робототехники) для проверки навигационной способности плазмодия. Плазмодию необходимо, начиная со старта (start zone), достигнуть хемоаттрактивную цель (goal), находящуюся за U-образным барьером (acetate U-shaped trap). Рисунок из [11].

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 [12]. Позже ученые из уже упомянутого Университета Сиднея продемонстрировали, как Physarum может перебирать варианты и делать наилучший выбор [13]. 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 (рис. 7), 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.

Плазмодий в условиях голода

Рисунок 7. Плазмодий в условиях голода выбирает из трех вариантов более калорийную пищу (10%). Рисунок из [13].

Группа японских ученых обнаружила, что Physarum polycephalum обладает своеобразной памятью [14]. 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.

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 [15]. 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 [16]. 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.

Плазмобот

Рисунок 8. Биоробот на основе Physarum polycephalum («плазмобот»). Фото Klaus-Peter Zauner. Рисунок из [16].

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 [17]. Кроме того, по полученным зависимостям напряжения от времени можно было отследить и расшифровать определенные сигналы, связанные с состоянием плазмодия (рис. 9).

Сигналы плазмодия

Рисунок 9. Значения электрических сигналов плазмодия

Более того, ученые конвертировали эти данные в спектрограммы, сопоставив активность разных электродов со звуками разной частоты, и воспроизвели звуковую запись [18]. Прослушать, о чём поет плазмодий, можно на видео ниже. По словам исследователей, в такой форме пространственно-временное поведение миксомицета более удобно для восприятия.

Также команда Адамацкого обнаружила мемристивные свойства плазмодия [19], 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 [20], 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 [14] принцип обучения привел к такому же результату.

Многие слышали о так называемых lab-on-a-chip — «лабораториях на чипе». Physarum и здесь нашел применение [21]. 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.

Игра «Быть слизью»

Практическая игра «Быть слизью» (Вeing Slime Mould) — эксперимент для исследования коллективного разума, разработанный Хизер Барнетт (Heather Barnett, University of Westminster). Рисунок с сайта heatherbarnett.co.uk.

Литература

  1. Aldrich H.C. Cell biology of Physarum and Didymium V1: Organisms, nucleus, and cell cycle (1st edition). NY: Academic Press, 1982. — 480 p.;
  2. Physarum culture kit. Carolina Biological Supply Company;
  3. Smith D.A. and Saldana R. (1992). A model of the Ca2+oscillator for shuttle streaming in Physarum polycephalum. Biophys. J. 61, 368–380;
  4. Hatano S. and Oosawa F. (1966). Extraction of an actin-like protein from the plasmodium of a myxomycete and its interaction with myosin A from rabbit striated muscle. J. Cell Physiol68, 197–202;
  5. Romanovsky Y.M., Teplov V.A., Latushkin O.A. (1991). A continuum model of contraction waves and protoplasm streaming in strands of Physarum plasmodium. Biosystems24, 269–289;
  6. Теплов В.А. (2010). Цитомеханика осцилляторных сокращений. Моделирование продольной динамики протоплазматических тяжей Physarum polycephalum. Биофизика55 (6), 1083–1093;
  7. Проскурин С.Г. и Авсиевич Т.И. (2014). Спектральный анализ автоколебательной подвижности в изолированном тяже плазмодия Physarum polycephalum. Биофизика59 (6), 1143–1150;
  8. Nakagaki T., Yamada H., Tóth A. (2000). Maze-solving by an amoeboid organism. Nature407, 470;
  9. Tero A., Takagi S., Saigusa T., Ito K., Bebber D.P., Fricker M.D. et al. (2010). Rules for biologically inspired adaptive network design. Science327 (5964), 439–442;
  10. Lagzi I., Soh S., Wesson P.J., Browne K.P., Grzybowski B.A. (2010). Maze solving by chemotactic droplets. J. Am. Chem. Soc. 132 (4), 1198–1199;
  11. Reid C.R., Latty T., Dussutour A., Beekman M. (2012). Slime mold uses an externalized spatial «memory» to navigate in complex environments. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 109, 17490–17494;
  12. Dussutour A., Latty T., Beekman M., Simpson S.J. (2010). Amoeboid organism solves complex nutritional сhallenges. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 107 (10), 4607–4611;
  13. Latty T. and Beekman M. (2011). Speed—accuracy trade-offs during foraging decisions in the acellular slime mould Physarum polycephalum. Proc. Royal Soc. Biol. 278 (1705), 539–545;
  14. Saigusa T., Tero A., Nakagaki T., Kuramoto Y. (2008). Amoebae anticipate periodic events. Phys. Rev. Lett. 100, 018101;
  15. Шлянкевич М. (2013). Интеллект: мы не единственны среди живых существ. Электронный научный семинар;
  16. Knight W. (2006). Robot moved by a slime mould’s fears. New Scientist;
  17. Adamatzky A. and Jones J. (2011). On electrical correlates of Physarum polycephalum spatial activity: can we see Physarum machine in the dark? Biophys. Rev. Lett6, 29–57;
  18. Miranda E.R., Adamatzky A., Jones J. (2011). Sounds synthesis with slime mould of Physarum polycephalum. J. Bionic Eng. 8, 107–113;
  19. Gale E., Adamatzky A., de Lacy Costello B. (2015). Slime mould memristors. BioNanoScience5, 1–8;
  20. Pershin Y.V., La Fontaine S., Di Ventra M. (2009). Memristive model of amoeba learning. Phys. Rev. E. Stat. Nonlin. Soft Matter. Phys. 80 (2), 021926;
  21. Adamatzky A. and Schubert T. (2014). Slime mold microfluidic logical gates. Mater. Today17 (2), 86–91..

Комментарии

Вас также может заинтересовать