موجودی تک‌سلولی که بدون سیستم عصبی، تصمیم‌گیری‌های پیچیده‌ای می‌کند

در سال ۱۹۰۶، جانورشناسی به‌نام هربرت اسپنسر جنینگز از کشف قابل‌توجهی خبر داد. او نمونه‌ای از رفتار هوشمندانه را در یک ارگانیسم آب شیرین که تنها از یک سلول تشکیل شده بود و استنتور روسلی نام داشت، مشاهده کرد. جنینگز ادعا کرد که با تحریک زیر میکروسکوپ، این موجود بی‌رنگ شیپورمانند، می‌توانست تصمیم‌های پیچیده‌ای بگیرد. این ارگانیسم بدون کمک یک سیستم عصبی، پاسخ خود را براساس سلسله مراتب رفتاری خاصی تغییر می‌داد. این یکی از پیچیده‌ترین رفتارهایی بود که تا آن زمان در یک تک‌سلولی هسته‌دار گزارش شده بود، هرچند کسی پس از او نتوانست نتایج را تکرار کنند. درنهایت این ایده کنار گذاشته شد. اکنون، پس از گذشت چندین دهه از کنارگذاشتن این ایده، به‌نظر می‌رسد که حق با جنینگز بوده است.

پژوهشگران دریافته‌اند که استنتور روسلی به‌محض تحریک شدن، هرکدام از رفتارهایی را که سال‌ها پیش به‌وسیله‌ی جنینگز توصیف شده بود، از خود نشان می‌دهد و شواهد قانع‌کننده‌ای برای این تئوری که مدت‌ها نادیده گرفته شده بود، فراهم شد. جرمی گاناواردنا از دانشکده پزشکی هاروارد می‌گوید:

موضوع جذاب درمورد توصیفات جنینگز این است که این پدیده نشان‌دهنده‌ی تصمیم‌گیری پیچیده‌ای است که در آن ارگانیسم در پاسخ به محرکی یکسان، ذهن خود را تغییر می‌دهد و هربار کار متفاوتی را انجام می‌دهد. ما معمولا تصور می‌کنیم چنین رفتارهای شناختی خودمختاری مختص ارگانیسم‌های پرسلولی دارای سیستم عصبی است اما این جا می‌بینیم که یک موجود تک‌سلولی نیز چنین قابلیت‌هایی را دارد.

به‌عنوان مثال، وقتی یک سلول استنتور طبیعی به‌طور مکرر لمس شود، احتمال اینکه خود را جمع کند (انقباض)، کمتر و کمتر می‌شود. این پاسخ با عنوان خوگیری شناخته می‌شود که شکلی از یادگیری ناهمخوان یا غیرتداعی است. اما چیزی که جنینگز درمورد استنتور روسلی مشاهده کرد، متفاوت بود. هنگامی که یک ماده‌ی شیمیایی، این گونه‌ی خاص را تحریک می‌کند، سلول ابتدا پیچیده و خم می‌شود و بخش دهانی خود را دور می‌کند. اگر حمله ادامه یابد، سلول با مژک‌های خود ضربه می‌زند تا اجازه ندهد چیزی به ناحیه‌ی دهانی او نزدیک شود. اگر باز موفق نشود، سلول منقبض می‌شود و اگر هیچ‌کدام از این کارها مؤثر واقع نشود، ارگانیسمی که معمولا ساکن است، کاملا از پایه‌ی خود جدا می‌شود.

سیلیات‌ها (مژک‌داران) موجودات فوق‌العاده پیچیده‌ای هستند که مدت‌ها است توجه دانشمندان را به خود جلب کرده‌اند. این ارگانیسم‌ها دربرابر برخی از عوامل استرس‌زا دارای پاسخ اجتناب هستند. آن‌ها در برخورد با عامل خطر، اگر روی سطحی قرار داشته باشند، می‌توانند به عقب حرکت کنند یا بچرخند و اگر در آب باشند، می‌توانند سریع‌تر شنا کنند. اما درحالی‌که دیگر تک‌سلولی‌ها رفتارهای بقای ساده‌ای مانند شکار، جهت‌یابی و جفت‌گیری را از خود نشان می‌دهند، به‌نظر می‌رسد که رفتار استنتور روسلی بسیار تکامل یافته‌تر باشد.

این توالی سه مرحله‌ای از رفتارهای متمایز چیزی بود که موجب شد جنینگز برای اولین‌بار به وجود رفتارهای سلسله مراتبی در این موجود مشکوک شود. اکنون، برای نخستین‌بار پس از آن زمان، نتایج تکرار شده است. برخلاف مطالعات گذشته که روی دیگر گونه‌های مژک‌داران تک‌سلولی انجام شده بود، این بار دانشمندان ارگانیسم مناسب را به‌طور مکرر زیر میکروسکوپ مورد مشاهده قرار دادند. پژوهشگران با قرار دادن استنتور روسلی در محلول، یک ماده‌ی محرک شیمیایی را در پالس‌های متعدد وارد محیط کردند و در همین حین از واکنش ارگانیسم دربرابر ماده شیمیایی فیلم‌برداری کردند. پس از ۶۰ تحریک کنترل‌شده، پاسخ ارگانیسم هم ازنظر کیفی و هم ازنظر کمی مورد تجزیه‌وتحلیل قرار گرفت. در پایان، دقیقا همان چیزی رخ داد که جنینگز شرح داده بود. این ارگانیسم‌ها به گونه‌ای رفتار می‌کردند که متمایز از رفتارهای خوگیری و شرطی‌سازی معمولی بود. پژوهشگران توضیح می‌دهند:

ما رفتار سلسله مراتبی را به‌عنوان شکلی از تصمیم‌گیری متوالی درنظر می‌گیریم که در آن وقتی موجود به‌طور مکرر درمعرض تحریکی مشابه قرار می‌گیرد، ذهن خود را درمورد پاسخی که دربرابر آن می‌دهد، تغییر داده و بنابراین سلسله مراتب رفتاری مشاهده شده را از خود نشان می‌دهد.

جابه‌جایی بین حالت‌های مختلف رفتاری نشان‌دهنده سطحی از تصمیم‌گیری پیچیده است که معمولا در موجودات دارای سیستم عصبی مشاهده می‌شود. این امر موجب شد که یک قرن پیش، جنینگز و دانشمند دیگری به‌نام ژاک لوب وارد نبرد تلخی شوند درمورد اینکه آیا زندگی صرفا مسئله‌ای فیزیکی‌شیمیایی است یا چیزی به‌عنوان عاملیت سلولی وجود دارد.

اسکات کویل، دانشمند زیست‌شناسی که در این پژوهش مشارکتی نداشته است، در حالی‌که با این موضوع موافق است که نتایج جدید نشان‌دهنده‌ی وجود نوعی رفتار سلسله مراتبی است، این ادعا را که «ارگانیسم ذهن خود را تغییر می‌دهد» را ادعایی انسان‌انگارانه می‌بیند. او می‌گوید:

به‌نظر من، گفتن اینکه «سلول ذهن یا یادگیری خود را تغییر می‌دهد»، مفهومی ندارد. این درک جزئیات پشت‌صحنه‌ی نحوه‌ی رمزگذاری رفتار سلسله مراتبی ازنظر سیستم‌های مولکولی ارگانیسم است که هیجان‌انگیز است. من مطمئنم که برخی از افراد این بحث‌ها را جالب می‌بینند اما ازنظر من آن‌ها تنها موجب سردرگمی و ایجاد استدلال‌هایی دراین مورد که آیا این مسئله یک مسئله مکانیکی است یا ربطی به حیات دارد، می‌شود.

اختصاص هر نوع عاملیتی به موجودی که تصمیم‌گیری را براساس شانس انجام می‌دهد، دشوار است. به‌عنوان مثال، در این مطالعه انتخاب استنتور روسلی درمورد جدا شدن یا منقبض شدن، مانند پرتاب سکه است (با احتمالی برابر یکی از این دو پاسخ را انتخاب می‌کند). درحالی‌که این رویکرد برای یک موجود تک‌سلولی قابل‌توجه است، مسئله‌ی «تغییر ذهن» نمی‌تواند باشد. اینکه چگونه این ارگانیسم این سکه‌ی خیالی را پرتاب می‌کند، هنور مشخص نیست و نویسندگان فقط می‌توانند تصور کنند که این رفتار ممکن است چه مزیت تکاملی داشته باشد. شاید این رفتار، راهی برای یافتن جفت مناسب بوده یا شاید هم راهی برای اجتناب از صرف هزینه‌ی بالا برای جدا شدن از یک نقطه و رفتن به منطقه‌ای است که شرایط بهتری دارد. این‌ها سوالات جذابی هستند اما مکانیک این سلسله مراتب است که موجب شگفتی کویل شده است. او پیشنهاد می‌کند که شاید محرک موجب تغییر در قابلیت دسترسی کانال‌های یونی تک‌سلولی شود و این امر موجب شود که دورهای بعدی حمله نتایج متفاوتی داشته باشد. او می‌گوید:

ازنظر مکانیکی، می‌توان تصور کرد که واکنش‌های خمشی/مژکی دربرابر آشفتگی اولیه منجر به تغییر حالت درون سلول می‌شود و آن را به منقبض شدن یا جدا شدن مستعدتر می‌کند.

نتایج این پژوهش در مجله‌ی Current Biology منتشر شده است.