Ab ovo!. Ступени эволюции интеллекта
Ab ovo!
Что раньше появилось: курица или яйцо? Что возникло раньше: орган обучения – нервная система или способность обучаться? Еще недавно физиологи уверенно отвечали: способность обучаться. Научные труды первой половины нашего века пестрят статьями о том, каким сложным формам поведения можно обучить примитивных одноклеточных существ. Почему-то из огромной армии простейших практически только инфузории привлекли внимание ученых. Выходило, что инфузории необыкновенно умны и обладают незаурядной памятью. Нашлись такие восторженные почитатели этих миниатюрных созданий, которые утверждали, что у них хорошо развиты психика и даже сознание.
Обычно инфузории передвигаются в воде как бы толчками, их реакции хаотичны: они постоянно, без видимой причины вдруг замирают и тут же, изменив направление иногда на обратное, проделывают небольшой отрезок пути по прямой, чтобы тотчас, вновь замерев на мгновение, опять изменить направление движения.
Можно часами наблюдать за стайкой инфузорий, и в конце концов станет ясно, что никаких закономерностей в их движении нет и они не способны передвигаться целенаправленно. Однако с помощью несложной процедуры нетрудно упорядочить их движение. Для таких экспериментов требуется крохотный водоем. В капле воды нужно отгородить небольшую акваторию, имеющую форму круга, глубиной не больше 1 мм и диаметром 3–5 мм. В него поместить одну инфузорию. Сначала она обычным образом будет петлять по сосуду, изредка натыкаясь на его стенки. Однако уже через 3–4 минуты поведение инфузории изменится: путь ее станет прямолинейным, и она будет двигаться без остановки, пока не ударится о стенку аквариума. Если сфотографировать путь инфузории, видно, что она «вписывает» в берега своего водоема почти правильный восьмиугольник. В квадратных аквариумах инфузория, немного покружившись, начинает вписывать квадрат, расположенный косо по отношению к стенкам аквариума. В пятиугольном сосуде крохотные «пловцы» вписывают пятиугольник, в шестиугольном – шестиугольник; в аквариуме, имеющем форму трапеции, их путь выписывает трапецию.
В других исследованиях инфузорию-туфельку помещали в столь узкий капилляр, что она с трудом могла в нем протиснуться. Добравшись до одного из концов капилляра, туфелька старалась там повернуться. Процесс этот требовал от инфузории массы усилий и длился 4–5 минут. После нескольких десятков поворотов становилось заметно, что туфелька постепенно обучается выполнять трудный маневр. Через 10–12 часов пребывания в капилляре некоторые инфузории могли настолько усовершенствовать свои движения, что справлялись с поворотом всего за 1–2 с.
Туфельки любят тепло, но избегают слишком высокую температуру. Если один конец капилляра, где находится инфузория, нагреть, то, попав в эту зону, она будет делать резкие беспорядочные движения, пока случайно не покинет опасное место. Продолжив опыт в течение нескольких часов, можно научить туфельку избегать неприятных воздействий, и ее движения станут упорядоченными. Заплыв в зону с повышенной температурой, она будет спокойно поворачиваться и уплывать на более прохладную территорию.
На свет нормальные инфузории никак не реагируют, но их можно обучить обращать на него внимание. Одну половину капилляра с находящейся там туфелькой нагревали и освещали ярким светом, вторая – холодная – оставалась в темноте. Как и в предыдущем случае, туфелька сначала часто заплывала в нагретую часть, но постепенно научилась находиться на темной половине, а если и пересекла случайно границу света и тени, сразу поворачивала обратно. Когда инфузория усвоила урок, температуру воды в обеих частях капилляра уравняли, но туфелька продолжала держаться на темной половине. Память у инфузорий оказалась короткой, эффект обучения сохранялся всего 15 минут. Впрочем, для примитивных существ это много. В другом эксперименте туфельку научили избегать свет, использовав вместо горячей воды удары слабого электрического тока. Через 45 минут дрессировки инфузории на границе света и тени сами поворачивали назад, не дожидаясь неприятного воздействия. После полной отмены электрических ударов туфельки еще 23 минуты «помнили» о том, что на освещенную территорию заплывать опасно.
Подобных опытов придумано много. Почти всегда инфузории демонстрировали высокую способность к обучению. Выработанные у них реакции по своему характеру и по способу их образования напоминали условные рефлексы высших животных. Некоторые исследователи их так и называли: условные рефлексы простейших. Отсюда были сделаны далеко идущие выводы: условный рефлекс – наиболее универсальное психическое явление, встречающееся абсолютно у всех животных (от одноклеточных до человекообразных обезьян и человека), и, следовательно, для его образования участие (или наличие) нервной системы необязательно.
Более тщательно проведенные исследования полностью опровергли представления о высоких способностях инфузорий. У этих существ не вырабатываются даже простейшие условные рефлексы. Грубая ошибка произошла из-за незнания особенностей врожденных форм поведения туфелек. Оказалось, что изучать психику даже таких примитивных существ, как одноклеточные, далеко не простое дело. Попробуем объяснить описанные выше случаи обучения инфузорий и оценить их способности.
Наблюдения за туфельками показали, что хаотические движения сохраняются у них только до тех пор, пока они находятся в культуральной жидкости, где всегда много углекислого газа и мало кислорода. Когда ту же жидкость наливают тонким слоем, углекислый газ из нее быстро улетучивается, и она обогащается кислородом. В таких условиях движения инфузорий становятся прямолинейными, а при столкновении с препятствием туфелька отскакивает от него под углом 20°. Вот почему после помещения инфузории в широкий и мелкий сосуд ее хаотические движения быстро сменялись закономерными, и в результате путь туфельки начинал повторять его конфигурацию. Обучение тут ни при чем. Если теперь в этот же сосуд, не меняя в нем среду, посадить необученную инфузорию, она сразу будет вести себя осмысленно, своим движением выписывая форму сосуда.
«Умение» туфельки поворачиваться в узком капилляре тоже никак не связано с обучением. Во время пребывания инфузории в крайне незначительном количестве воды в ее протоплазме накапливаются кислые вещества, при этом протоплазма разжижается, и, естественно, поворачиваться становится легче.
Удалось установить и другие причины, способные имитировать образование условного рефлекса. Микробассейны для опытов с инфузориями заливают культуральной жидкостью, в которой они живут и размножаются; где много бактерий, которыми они питаются; где много продуктов обмена как бактерий, так и самих туфелек. В этой среде под воздействием внешних факторов могут происходить изменения, совсем не безразличные для инфузорий. Если такой средой залить капилляр и час-два нагревать одну его половину, а затем, остудив, поместить туда парамеций, они не будут заплывать на ранее нагретую половину, хотя специально ничему не учились.
Иногда однократные воздействия способны на десятки минут менять поведение одноклеточных существ. Если на инфузорий стилонихий, когда они с гладкого субстрата пытаются переползти на шероховатый, всякий раз воздействовать вибрацией, то после 40–45 сочетаний они начинают его избегать. Тот же эффект дает однократное сильное сотрясение, после чего инфузории в течение 90 минут не покидают гладкой поверхности. Итак, миф об условных рефлексах инфузорий порожден неопытностью исследователей, недостаточным знакомством с интимными сторонами поведения простейших, ведущих себя далеко не просто.
Как передвигаются простейшие?
Простейшие передвигаются за счет расширения клеток, жгутиков и ресничек; способ передвижения определяется типом организма и окружающей средой. Простейшие делятся на три группы: инфузории, амебы и жгутиковые. Инфузории передвигаются с помощью крошечных ресничек, жгутики перемещаются в воде, используя жгутики в качестве весел и лопастей, а амебы ползают по поверхности, расширяя части своих клеток.
Инфузории составляют самую большую группу простейших. Эти организмы различаются по размеру и часто живут в водной среде, включая океаны, болота, заливы и ручьи. Эти организмы содержат особые структуры, называемые ресничками, которые представляют собой крошечные, похожие на волосы пряди, которые действуют как сенсоры и крошечные конечности. Инфузории имеют несколько сотен ресничек, покрывающих их тело.
Инфузории, передающиеся через воду, используют свои реснички, чтобы перемещаться по воде, ритмично отбивая их движениями, напоминающими взмахи весла. Жгутиконосцы также живут в основном в воде и используют свои длинные хвостовидные жгутики, чтобы перемещаться по воде. Эти жгутики действуют как рули направления, помогая стабилизировать жгутики во время их движения. Движения инфузорий и жгутиконосцев сильно отличаются от движений амеб, у которых есть гибкие клеточные мембраны, которые действуют как ступни. Амебы пересекают поверхности, растягивая, изгибая и изгибая эти клеточные структуры, которые выпирают наружу, чтобы помочь амебам перемещаться по окружающей среде.
Похожие посты
Что такое поведенческая адаптация?
Что такое структурная адаптация?
Что такое «ниша» в биологии?
В чем разница между простейшими и бактериями?
Другие интересные посты
Как был обнаружен натрий?
Что такое семь двухатомных молекул?
Что происходит с зиготой после оплодотворения?
Какие факторы влияют на сопротивление материала?
Из чего сделано человеческое сердце?
Как поддерживается экологический баланс?
В чем разница между мелкой и крупной моторикой?
Где происходит анаэробное дыхание?
Какие аппараты используются в микробиологической лаборатории?
Какое положение Марс в Солнечной системе?
С чего начинается цикл Кребса?
Что будет в весенний сезон?
Как мне описать нервно-мышечное соединение?
Какие факты об магматических породах?
Как одна из самых быстрых клеток в природе может исчезнуть в мгновение ока.
Способный сокращаться быстрее, чем гоночный автомобиль, Spirostomum однажды может быть скопирован для создания более быстрых машин.
Наконец-то раскрыты секреты исчезновения клеток.
Одноклеточный организм, известный как Spirostomum может уменьшиться до четверти своего размера всего за пять миллисекунд, что более чем в 50 раз быстрее, чем мгновение ока. Хотя о его скорости известно давно, исследователи давно задавались вопросом, какие механизмы позволяют ему так быстро уменьшаться.
Новая статья, опубликованная в журнале Science Advances, раскрывает больше информации о том, как Spirostomum осуществляет свое исчезновение. Это показывает, что белки, которые поддерживают его структуру, быстро меняют форму, заставляя его сжиматься, как пружина, до тех пор, пока он не сможет восстановиться.
Доктор Алан Уоррен, научный сотрудник музея, соавтор статьи, говорит, что такое поведение может помочь Spirostomum не быть съеденным.
«Сокращение Spirostomum является одним из самых быстрых движений в природе и похоже на таковое у перитриховых инфузорий, которые, как предполагается, помогают этой группе избегать хищников», — говорит Алан.
‘Эти инфузории сокращаются так быстро, что фактически исчезают намного быстрее, чем мгновение ока, до того, как хищник сможет их поймать.’
Дизайн, вдохновленный Spirostomum , может помочь в разработке более быстрой и компактной техники в будущем.
Уменьшение размера Spirostomum также приводит к тому, что организм теряет свою червеобразную форму. Основное изображение © ExaVolt, лицензия CC BY-SA 4.0 через Wikimedia Commons и изображение вставки © Zhang et al., лицензия CC BY-NC 4.0 через Science Advances.
Необычайные способности
Spirostomum Spirostomum — это инфузория, одноклеточный организм с крошечными волосками, известными как реснички, которые и дали им название. Эти реснички помогают инфузориям плавать, питаться и ощущать множество разных мест, где могут быть найдены эти организмы.
«Инфузории живут в морской и пресноводной среде, а также в почве, если она достаточно влажная», — говорит Алан. «Некоторые специализированные инфузории даже эволюционировали вместе с жвачными животными, такими как коровы, живя в их пищеварительной системе».
В то время как большинство инфузорий микроскопические, часто их длина составляет от 0,02 до 0,2 миллиметра, Spirostomum во много раз крупнее, что делает его видимым для человеческого глаза. В полностью вытянутом состоянии он выглядит как маленький червяк и имеет длину от одного до нескольких миллиметров.
Когда Spirostomum сжимается, однако, это может быть только четверть миллиметра или меньше. Поскольку средний человеческий глаз может видеть только что-то большее, чем одна десятая миллиметра, это означает, что оно может исчезнуть в одно мгновение.
Хотя в целом его скорость сжатия не так высока, имеет значение Spirostomum ускорение. Сжимаясь со скоростью, эквивалентной 140 метрам в секунду в квадрате, клетка сжимается быстрее, чем гепард может разогнаться до максимальной скорости.
В то время как у других организмов есть части тела, которые ускоряются быстрее, например, укус медузы или выброс пыльцы из цветка, это может произойти только один раз. После короткого периода перезарядки Spirostomum может уменьшаться снова и снова.
При каждом сокращении жидкость выталкивается из тела, вызывая изменение потока воды в близлежащих областях. Это может вызвать около Клетки Spirostomum сокращаются, позволяя разрозненным особям действовать как единое целое.
В статье Nature, опубликованной в 2019 году, предполагается, что это может помочь увеличить циркуляцию питательных веществ в данной местности или даже распространить токсины для защиты от хищников.
Способность другой инфузории, Vorticella, уменьшаться, известна уже более 300 лет. Изображение © Rattiya Thongdumhyu/Shutterstock
Почему
Spirostomum так быстро сжимается? Хотя сведения о том, что Spirostomum уменьшается в размерах, со временем увеличивались, белки, которые позволяют ему это делать, оставались неуловимыми.
Некоторые существующие исследования показали, что его метод сокращения подобен некоторым инфузориям, у которых есть белки, известные как спазмины, которые позволяют им быстро сокращаться.
Однако их самих по себе недостаточно для обеспечения этого сокращения, поэтому исследователи искали другие молекулы, которые связываются со спазмами, чтобы компенсировать недостаток.
Чтобы попытаться обнаружить их, исследовательская группа под руководством доктора Вей Мяо из Института гидробиологии Китайской академии наук, работающая в сотрудничестве с Аланом, секвенировала геном Spirostomum и идентифицировала два белка, которые они назвали белками, связывающими гигантский спазмин (Giant Spasmin Binding Proteins). GSBP1 и GSBP2), а также два спазмина.
Более тщательное изучение белков показало, что они обладают всеми необходимыми структурами, чтобы работать как часть сетчатой структуры, лежащей под Spirostomum 9.Клеточная мембрана 0012, которая, как считается, позволяет ему сжиматься.
Чтобы вызвать сокращение, ионы кальция высвобождаются и связываются со спазмами, которые вместе с GSBP вызывают изменение формы сетки. Как только Spirostomum сжимается, кальций откачивается, позволяя эластичным частям клеточной структуры возвращать инфузорию в форму.
Способность инфузории отскакивать назад привлекла внимание исследователей, надеющихся искусственно имитировать ее в рамках области, известной как биомиметика. Сверхбыстрые переключатели и микроскопические двигатели могут быть среди технологий, вдохновленных структурой Spirostomum и другие инфузории.
- Что на Земле?
- Музейное исследование
Реснички используют разные моторы для разных задач
Молекулярные моторы
Этот парамеций использует реснички для передвижения и сбора питательных веществ. Исследователи обнаружили, что реснички одного и того же организма могут работать с разной скоростью в определенных условиях, приводимые в действие разными молекулярными моторами.
9 января 2014 г. Контакт для СМИ: Кевин Стейси 401-863-3766
Реснички — короткие, похожие на волосы волокна — широко распространены в природе. Одноклеточные парамеции используют один набор ресничек для передвижения, а другой — для доставки питательных веществ в ротовые бороздки. Исследователи из Брауна обнаружили, что эти два набора ресничек работают с разной скоростью при изменении вязкости окружающей среды. Это говорит о том, что ими управляют разные молекулярные моторы, что может помочь объяснить, как реснички используются для стольких разных задач в природе.
ПРОВИДЕНС, Род-Айленд, [Университет Брауна] — реснички — один из замечательных многоцелевых инструментов природы. Крошечные, похожие на волосы волокна выступают из клеточных мембран и выполняют самые разные задачи у всех видов существ, от помощи в очистке легких человека от мусора до обеспечения плавания одноклеточных организмов.
Теперь физики из Университета Брауна обнаружили кое-что, что может помочь ученым понять, как реснички были адаптированы для стольких разнообразных задач.
В ходе исследования под руководством аспиранта Ильонга Юнга изучались реснички одноклеточного обитающего в воде парамеция. Парамеции покрыты ресничками, которые бьются, как тысячи крошечных весел, толкая существ по воде. В то же время реснички вокруг «ротовой бороздки» парамеция загоняют питательные вещества внутрь, обеспечивая все необходимое питание. С помощью серии экспериментов исследователи показали, что реснички ротовой бороздки, по-видимому, имеют другие молекулярные моторы, чем остальные реснички парамеция.
Это первый случай, когда кто-либо продемонстрировал два двигательных поведения ресничек в одной клетке, говорит Джеймс Валлес, заведующий кафедрой физики Брауна и один из ведущих авторов статьи. Валлес надеется, что, проведя немного больше исследований, это открытие сможет пролить свет на молекулярные механизмы, ответственные за эти два двигательных поведения.
«Эти двигатели ведут себя по-разному в этих двух местах в одной и той же ячейке», — сказал Валлес. «Мы надеемся, что теперь мы сможем начать разделять их, может быть, мы сможем выяснить, что вызывает эти различия в поведении. Это может помочь нам понять, почему реснички могут быть такими вездесущими».
Результаты опубликованы в выпуске Biophysical Journal от 7 января 2014 года.
Исследователи исследовали поведение ресничек, манипулируя вязкостью жидкости, в которой плавали парамеции. Используя мощные микроскопы и высокоскоростные камеры, они наблюдали, как ведут себя реснички при различной вязкости, начиная с вязкости простой воды и увеличиваясь в семь раз.
Они обнаружили, что по мере увеличения вязкости реснички, используемые для плавания, замедляются. Удвоение вязкости замедлило движение ресничек примерно наполовину. Но это было не так для ресничек ротовой бороздки; они почти не замедлялись при изменении вязкости. При вязкости воды, в семь раз превышающей вязкость воды, реснички ротовой бороздки замедлились всего примерно на 20 процентов.
Морфологически два набора ресничек в основном идентичны. Это означает, что различия в их движении должны исходить от приводящих их в движение двигателей, говорят исследователи. Теперь, когда они выделили два разных двигательных поведения у одного и того же организма, исследователи, возможно, смогут выяснить, какие факторы определяют эти различия.
«Теперь у нас есть эти два мотора в одной ячейке, которую мы можем сравнить», — сказал Валлес. «Есть ли у них разные доступные молекулы или разные концентрации молекул, которые управляют их движением? Именно такие вопросы мы рассматриваем».
Эти вопросы потребуют дополнительного изучения. Чтобы помочь, физики заручились помощью биолога Брауна Аниты Циммерман. «Мы надеемся научиться удерживать парамеции, чтобы мы могли более внимательно наблюдать за ними при различных обработках — с различными химическими веществами или режимами потока», — сказал Валлес.
Это последнее исследование помогло заложить основу для будущей работы, которая могла бы помочь объяснить, как эти крошечные волокна стали такими адаптируемыми.