在无脑微生物中发现类似发条的“计算机”

微小的单细胞生物显然没有足够的大脑空间来告诉它们如何以复杂的方式移动，因此它们通常会滚动、滑行或游泳。

但微小的池塘居民被称为游标动物广口藻已经掌握了无脑走路的方法了吗？ 像昆虫一样到处乱窜，有 14 个小附肢。

它们的移动方式似乎有点像荷兰设计的动态雕塑，名为“海滩野兽，通过类似发条的连接使它们循环通过一系列可以根据环境进行调整的设置状态。

“这些动作似乎存在这种顺序逻辑，”说来自加州大学旧金山分校 (UCSF) 的生物物理学家 Ben Larson。 “它们不是随机的，我们开始怀疑正在发生某种信息处理。”

这些原生动物？ 具有类似动物特征的单细胞生物 ? 有 14 束纤毛，它们一起形成腿，称为 cirri。 它们可以利用这些刺毛来游泳和行走，同时积极寻找猎物。

这一切都始于我在 @Choano_Lab 攻读博士学位期间的 2016 年 @MBLPhys 课程。 我注意到掠食性生物正在吃我试图从现场样本中分离出来的领鞭毛虫。 我知道华莱士是疯狂微生物方面的专家，于是我开始了交谈……

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？ 本·拉尔森（@BEuplotes）2021 年 3 月 1 日

拉森和同事拍摄了这些微小捕食者的显微镜头，以研究它们的慢动作运动。 研究人员确定了 32 种不同的腿部运动组合，并发现某些组合更有可能相互跟随。

纤毛由微管蛋白纤维组成，就像细胞的其余支架结构（细胞骨架）一样。 这些纤维还充当不同纤维之间的支撑结构，因此它们也起到一种机械通讯的作用。

”游标动物利用这些连接来促进复杂的行走动作，”解释加州大学旧金山分校生物物理学家华莱士·马歇尔。

计算机建模表明，纤维上的张力和应变决定了每个时刻可能出现的纤维位置设定模式。 有些 cirri 在步态的不同阶段储存压力； 当压力被释放时，它会推动细胞前进到下一个状态，从而导致这些状态之间的循环转换。

“事实是游标动物’附属物以非随机的方式从一种状态移动到另一种状态意味着这个系统就像一台基本的计算机，”说马歇尔。

当研究人员揭露游标动物一种破坏微管蛋白纤维同步反应的药物会失调细胞的步态，导致可怜的生物徒劳无功地兜圈子。

他们的步态仍然保持规律，但不再以允许有效运动的方式协调。附属物之间的发条连接无法再上紧或重置以保持细胞继续运转。

因此，这些单细胞生物不是由大脑和神经控制，而是由信号分子网络控制。 我们之前已经看到这样的系统如何在微生物中实现令人惊讶的复杂行为，例如、学习、以及迷宫导航。

“这本身就是一个非常令人着迷的生物现象，但也可以突显其他类型细胞中更普遍的计算过程，”说拉尔森.

关于这个机车系统的机械工作原理还有很多东西需要了解，但现在我们可以将行走添加到如何利用随机分子过程来创建顺序行为的示例列表中。

这项研究发表于现代生物学。