没有大脑的单细胞生物也可以学习吗？
作者 | Katia Moskvitch
翻译 | Prismo
审校 | 酷炫脑
编辑 | Mandy
AUDREY DUSSUTOUR/CNRS
粘菌是世界上最奇特的物种。它曾一度被认为属于真菌，但现在被划分为阿米巴变形虫的一员。作为一种单细胞生物，它没有神经元，更谈不上有大脑。然而，近十年来，学术界却一直在争论这样一个话题：粘菌是否有学习周围环境并据此改变行为的能力？
对于法国国家科研中心的生物学家和图卢兹第三大学动物认知研究中心的领头人奥黛丽·杜索托来说，这场争论已经有了答案。她的团队不仅教会了粘菌无视平常会避开的有害物质，还展示了这种生物在经历了一年的生理破坏性强制睡眠后仍然可以记住这种行为。但是，这些结果能证明粘菌——以及其他诸多没有大脑的生物——可以表现一种原始的认知能力吗？
长在垃圾桶废纸上的粘菌 | Red58bill，commons.wikimedia.org
和大多数原生动物一样，粘菌相对来说比较容易研究。他们属于肉眼可见的生物，所以很容易被操控和观察。目前发现了一共超过 900 种的粘菌；其中一些绝大多数时候以单细胞生物的形式存活，但会在食物匮乏时聚集在一起进行觅食和繁衍。另一些被称作“合胞体粘菌”的种类则一直以像一个包含几千个细胞核的大细胞一样生活。更重要的是，粘菌被传授新的技能；根据种类的不同，它们也许不喜欢咖啡因、盐、或是强光，但是它们可以通过学习不再那么害怕这些物质标记的“禁区”。这个过程叫做“习惯化”。
来自澳大利亚麦考瑞大学的行为生物学家克里斯·雷德认为，“根据习惯化的传统定义，这种原始的单细胞生物也在学习，就像有大脑的动物一样。但因为粘菌没有任何神经元，所以它们的学习机制一定也截然不同。不过结果和功能上的重要性还是一样的。”
杜索托认为，粘菌具有学习能力这一事实带来的重要启示超出了只是发现非神经系统的学习机制本身。她相信粘菌可以帮助科学家们找到学习在生命的进化树上于时何地出现。
更有意思也更具争议的是，杜索托等学者的研究表明了粘菌可以将习得记忆在细胞间传递。波恩大学的植物细胞生物学家法兰提斯柯·巴鲁斯卡表示，“这对于我们了解更大的生物，比如动物，人类，和植物来说是个非常令人兴奋的消息。”
习惯化的历史
对于低等生物行为的学习可以追溯到十九世纪末期。最初，查尔斯·达尔文和他的儿子法兰西斯提出植物根部的最尖端（一个叫做根尖的小区域）可以看作是植物的大脑。之后，一位颇具影响力的动物学家和早期基因学家赫伯特·斯潘塞·詹宁斯在自己于 1906 年出版的一本影响深远的著作《低等生物的行为》中也提出了一样的论点。
但是，单细胞生物可以学习并在细胞层面保留学习记忆这一概念仍是全新且饱受争议的。传统上来说，科学家们已经将“学习”这一现象与神经系统的存在相挂钩。就像杜索托所说的，不少人认为她的实验“不过是浪费时间，而且只能走进死胡同”。
她开始“站在粘菌的角度”去研究粘菌：思考粘菌如何学习周围环境来生存繁衍。粘菌爬行缓慢，而且经常卡在过于干燥，碱性或酸性过高的环境。杜索托想知道粘菌是否可以通过学习适应不舒适的生存条件，于是她设计了一个测试粘菌习惯性的方法。
习惯化不只是适应，还是学习的最简单形式。它是指一个生物重复遇到同样的条件时做出的回应，以及它是否能够过滤掉无关的刺激。对人类来说，一个经典的习惯化例子就是我们在穿上衣服后能够不再察觉皮肤对衣物的触感。同样地，我们还可以忽视许多令人不快的气味和背景噪音，特别是当它们维持不变且对我们的生存来说无关紧要的时候。对于我们人类和其他动物来说，这种学习形式由神经系统中侦测和处理刺激信号并调节回应的神经元网络实现。那么对于没有神经元的单细胞生物来说，习惯化又是如何发生的呢？
自 2015 年起，杜索托团队从日本函馆大学获取了粘菌的样本并测试他们习惯化的能力。研究人员将粘菌块放置在实验室中，并在不远处放了几碟粘菌最喜欢的食物：燕麦片。要想到达燕麦处，粘菌必须沿着掺有咖啡因或是奎宁的凝胶桥生长过去。这两种化学物质虽然无害，但是对粘菌来说十分苦涩，通常粘菌会避免这样的生长环境。
杜索托描述道，“在第一个实验中，粘菌花了十个小时长到桥对面，而且它们会极力避免与这些化学物质有接触。”两天后，粘菌开始忽视苦涩物质，而过了六天，每组都不再对阻碍物产生反应。
粘菌产生的习惯化是针对某个物质的：对咖啡因习惯的粘菌组仍然会抗拒跨越含有奎宁的桥，反之亦然。这展示了粘菌学会了识别某一种特定的刺激并调整自己对其的反应，而并不是无差别地过桥。
粘菌对于探索环境和利用资源极有效率，研究人员曾利用这种能力在控制条件下使它们破解包含迷宫在内的许多难题 | AUDREY DUSSUTOUR/CNRS
最后，实验人员们让粘菌在无咖啡因或奎宁的环境下静置两天，接着再次用有毒凝胶桥进行测试。他们“发现粘菌回复到原来的状态了——因为它们再次表现出了对化学物质的回避。”粘菌变回了初始的行为。
当然，生物能够以某种方式适应环境变化不代表它们一定有学习能力。但是，杜索托的实验表明了粘菌可以通过一种交流的方式学习行为，而并非完全依靠经验。在一项后续实验中，她的团队展示了未经过习惯化训练的粘菌可以通过细胞融合的方式直接从习惯化的粘菌处获取习得行为。
不像复杂的多细胞生物，粘菌可以被切分成许多块；并且当被放回一起时，它们会融合并形成一个巨大的粘菌体，甚至在连接处会生长出含有高速流动细胞液的脉状管道。杜索托将她的粘菌切成了超过 4000 个小块，然后用盐（另一种粘菌不喜欢的物质，虽然没有咖啡因或是奎宁强烈）训练其中的一半。之后，她的团队将粘菌小块以各种组合将习惯化的粘菌块和未习惯化的粘菌块进行融合，并对新融合体进行测试。
杜索托发现，“当融合体中含有一个习惯化的粘菌块时，整个融合体就会展示习惯化。这代表一块粘菌可以将习惯化反应转移给其它部分。”三小时后，当所有细胞液脉络管完好形成后，实验人员再次将粘菌分成小块，而每个部分依然表现出了习惯化行为。粘菌的确完成了学习。
原始认知的迹象
但是杜索托想要进一步确认这种习惯化记忆能否长期存在。于是，她与团队将粘菌们干燥起来并放在控制条件下睡眠一年。今年三月份，他们在一片盐堆中唤醒了粘菌。那些未经过习惯化的粘菌很快因为无法处理快速渗出细胞的水分带来的渗压休克而不久就死去了，但是习惯化了盐水环境的粘菌不仅存活了下来，还很快开始在充满盐分的环境中生长觅食。
杜索托四月在德国不来梅大学的科学会议上描述了这项尚未发表的研究，表示这个结果意味着粘菌可以学习——并且可以在休眠期保留学到的知识，尽管在这期间粘菌细胞经历了大量的物理和生物化学变化。对于野生的粘菌来说，能够记住往哪里寻找食物是一个非常有用的技能，因为它们所生存的环境也许极其不稳定。就像杜索托所说的，“能够做到习惯化对粘菌来说是一件好事，不然它们很容易陷入困境。”
她还提到，更重要的是，这项研究成果还展示了“原始认知”是真实存在的。原始认知是指没有大脑的生物同样也可以拥有的认知，只是科学家们并不知道这类认知背后的工作机制是什么。巴鲁斯卡认为这也许涉及到许多分子层面的处理，并且不同物种可能采用了不同的处理机制。在粘菌中，它们的细胞骨骼也许形成了一种精巧又复杂的网络，可以用来处理感官信息并将它们输送给细胞核。
有学习能力的不只是粘菌们。研究人员也调查了包含植物在内的其他无神经系统的生物是否有最基础的学习形式。比如在 2014 年，西澳大利亚大学和佛罗伦萨大学的莫妮卡·加利亚诺团队发表了一篇关于含羞草的实验论文，引起了不小的轰动。含羞草属的植物对触碰和其他物理干扰是出了名的敏感：它们会立刻卷起脆弱的叶片当作防御机制。加利亚诺设计了一个实验：使含羞草以约 30 厘米的高度突然摔下。这个高度并不会对植物造成任何实质性伤害，但足以触发它们的防御机制。起初，含羞草们会在落下时卷曲并缩回叶片。但是经过一段时间的重复，它们不再产生反应——仿佛“学习”到了防御机制并不是必要的。
AUDREY DUSSUTOUR/CNRS
为保持大脑特殊性引发的斗争
但是，一些主流生物学家和神经科学家对这些实验结果颇有微词。塔夫茨大学的生物学家迈克尔·里文认为，“神经学家只是反对将大脑的特殊性拉下神坛。的确，大脑是个很棒的器官，但是我们必须记住它们来自哪里。神经元细胞也是从普通非神经元细胞进化而来，它们不是魔法般突然出现的。”
他还补充道，一些生物学家也反对“细胞可以有目标，记忆等功能，只因为这些听起来像魔法”。但是，在过去的一个多世纪里，我们对控制理论，人工智能，和机器学习的研究已经展示了机器系统也可以有目的并作出决策。“计算机科学早就认识到了信息处理与基质没有关系。它跟组成你的材料无关，而是跟你使用的算法有关。”
加州大学圣地亚哥分校综合神经科学实验室的负责人约翰·斯迈西斯认为，这一切取决于你如何定义“学习”。他认为杜索托的粘菌实验并没有很大说服力。他说，“‘学习’意味着行为，而死亡并不是其中一部分！”
而对于来自格罗宁根大学的认知科学家佛雷德·卡兹尔来说，争论这些粘菌的行为是不是学习就像讨论冥王星是不是行星：答案既取决于对“学习”这一概念的理解，也取决于实验证据。但是他也认为“目前没有什么明确的科学原因让我们全盘否认非神经元生物的学习能力。”
许多研究者还坚决反对植物可以有记忆、学习和认知的能力。植物仍被认为是“僵尸一样的自动机器”而非“完整的生命形式”。但是这些常识正在慢慢地被改变。在 2005 年，巴鲁斯卡团队开启了植物神经学的新领域。尽管尚未被主流学界广泛认可，他们也实现了许多改变，其中包括使植物“信号”，“交流”和“行为”等词汇或多或少地被学术界接受。
也许这场辩论并不是科学之战，而是文字游戏。雷德称，“与我交流过粘菌智能的大部分神经学家们都很乐意接受实验的有效性，也同意这些结果展示出了与有脑动物相似的功能。”他们只是认为那些一直以来在心理学和神经科学使用的与大脑相关的词，比如“学习”“记忆”和“智能”，在这里的用法有些争议。“粘菌研究者坚称在粘菌身上观察到的功能上等同的行为也应该使用与有脑动物一样的描述词，而传统神经学家坚持认为‘学习’和‘智能’的定义代表它们必须要有神经元结构的存在。”
而这些争论的结果是，对原始认知的研究项目很难拿到赞助基金。正如巴鲁斯卡所说，“最大的问题就是拨款部门和资助机构需要向这些项目提供帮助。只是至今为止，除了一些特例外，主流科学仍然对这个方面的研究相当抵触。这真是令人遗憾。”
为了获取主流认可，原始认知的研究者们还需要在更广的刺激范围内展示低级生物的习惯化，而且更重要的是，确定习惯化的具体实现机制以及它是如何在单个细胞间传递的。这种机制一定和我们对大脑的理解和观察大相径庭，但是二者的功能相似处使这种对比显得非常有趣。
原文链接：
www.wired.com/story/slime-molds-rememberbut-do-they-learn/
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