(Audrey Dussutour/CNRS) Stellen Sie sich vor, Sie gehen in einen Wald und rollen mit dem Fuß über einen umgestürzten Baumstamm. Auf der Unterseite fächert sich etwas Feuchtes und Gelbes auf – ein bisschen wie etwas, das man vielleicht ausgeniest hat, wenn das Etwas bananengelb wäre und sich in elegante fraktale Zweige ausbreitet.
Was Sie sehen, ist die Plasmodium-Form Physarum polycephalum , der vielköpfige Schleimpilz. Wie andere in der Natur vorkommende Schleimpilze spielt er eine wichtige ökologische Rolle, indem er beim Zerfall organischer Stoffe hilft, um sie in das Nahrungsnetz zurückzuführen.
Dieser bizarre kleine Organismus hat weder ein Gehirn noch ein Nervensystem – sein klecksiger, leuchtend gelber Körper besteht nur aus einer Zelle. Diese Schleimpilzart gedeiht seit einer Milliarde Jahren mehr oder weniger unverändert in ihren feuchten, verfallenden Lebensräumen.
Und im letzten Jahrzehnt hat es unsere Einstellung zu Kognition und Problemlösung verändert.
„Ich denke, es ist die gleiche Art von Revolution, die stattfand, als die Menschen erkannten, dass Pflanzen miteinander kommunizieren können“, sagt die Biologin Audrey Dussutour vom französischen Nationalen Zentrum für wissenschaftliche Forschung.
„Selbst diese winzigen Mikroben können lernen.“ Es gibt einem ein wenig Demut.‘
P. polycephalum in seinem natürlichen Lebensraum. ( Kay Dee/iNaturalist, CC BY-NC )
P. polycephalum – von Dussutour liebevoll „The Blob“ genannt – ist nicht gerade selten. Es kann in dunklen, feuchten und kühlen Umgebungen gefunden werden, beispielsweise in der Laubstreu auf einem Waldboden. Es ist auch wirklich eigenartig; Obwohl wir es einen „Schimmel“ nennen, ist es eigentlich kein Pilz. Es handelt sich auch nicht um ein Tier oder eine Pflanze, sondern um ein Mitglied des protistischen Königreichs – eine Art Sammelgruppe für alles, was sich nicht eindeutig in die anderen drei Königreiche einordnen lässt.
Es beginnt sein Leben als viele einzelne Zellen mit jeweils einem einzigen Zellkern. Dann verschmelzen sie, um das zu bilden Plasmodium , die vegetative Lebensphase, in der sich der Organismus ernährt und wächst.
In dieser Form, die sich in Adern ausbreitet, um nach Nahrung zu suchen und ihre Umgebung zu erkunden, ist sie immer noch eine einzelne Zelle, enthält aber Millionen oder sogar Milliarden von Kernen, die in der Zytoplasmaflüssigkeit schwimmen, die in der leuchtend gelben Membran eingeschlossen ist.
Erkenntnis ohne Gehirn
Wie alle Organismen P. polycephalum muss in der Lage sein, Entscheidungen über seine Umgebung zu treffen. Es muss nach Nahrung suchen und Gefahren meiden. Es muss die idealen Bedingungen für seinen Fortpflanzungszyklus finden. Und hier wird unser kleiner gelber Freund erst richtig interessant. P. polycephalum hat kein zentrales Nervensystem. Es gibt nicht einmal spezielle Gewebe.
Dennoch kann es beispielsweise komplexe Rätsel lösen Labyrinth-Labyrinthe , Und Erinnern Sie sich an neuartige Substanzen . Die Art von Aufgaben, von denen wir früher dachten, dass sie nur Tiere erledigen könnten.
„Wir reden natürlich über Kognition ohne Gehirn, aber auch ohne jegliche Neuronen.“ „Die zugrunde liegenden Mechanismen und der gesamte architektonische Rahmen, wie es mit Informationen umgeht, unterscheiden sich also völlig von der Funktionsweise Ihres Gehirns“, sagt der Biologe Chris Reid von der Macquarie University in Australien gegenüber Energyeffic.
„Indem wir ihm die gleichen Problemlösungsherausforderungen stellen, die wir traditionell Tieren mit Gehirnen stellen, können wir erkennen, wie dieses grundlegend andere System zum gleichen Ergebnis führen könnte.“ Hier wird deutlich, dass dies für viele dieser Dinge – von denen wir immer dachten, dass sie ein Gehirn oder eine Art höheres Informationsverarbeitungssystem erfordern – nicht immer notwendig ist.“
( David Villa/ScienceImage/CBI/CNRS )
P. polycephalum ist der Wissenschaft wohlbekannt. Vor Jahrzehnten war es, wie der Physiker Hans-Günther Döbereiner von der Universität Bremen in Deutschland erklärt, das „Arbeitstier der Zellbiologie“. Es war leicht zu klonen, zu behalten und zu studieren.
Mit der Weiterentwicklung unserer genetischen Analyse-Toolkits entwickelten sich jedoch auch Organismen wie Mäuse oder Zelllinien wie z Ganz übernahm, und P. polycephalum blieb auf der Strecke.
Im Jahr 2000 holte der Biologe Toshiyuki Nakagaki von RIKEN in Japan das kleine Biest aus dem Ruhestand – und nicht für die Zellbiologie. Seine Arbeit, veröffentlicht in Natur , trug den Titel „Labyrinthlösung durch einen Amöbenorganismus“ – und genau das war es auch P. polycephalum getan hatte. Nakagaki und sein Team hatten ein Stück Plasmodium an ein Ende eines Labyrinths gelegt, eine Nahrungsbelohnung (Hafer, weil). P. polycephalum liebt Haferbakterien ) am anderen und beobachtete, was passierte.
Die Ergebnisse waren atemberaubend. Dieser seltsame kleine zelllose Organismus schaffte es, den schnellsten Weg durch jedes Labyrinth zu finden, das ihm vorgeworfen wurde.
„Das löste eine Welle von Forschungen darüber aus, mit welchen anderen schwierigeren Szenarien wir den Schleimpilz testen können“, sagt Reid.
„Praktisch alle davon waren auf die eine oder andere Weise überraschend und überraschten die Forscher hinsichtlich der tatsächlichen Leistung des Schleimpilzes.“ Es wurden auch einige Einschränkungen festgestellt. Vor allem aber war es eine Entdeckungsreise darüber, wie dieses einfache Geschöpf Aufgaben erfüllen kann, die schon immer höheren Organismen übertragen wurden und als deren Domäne angesehen wurden.“
Voller Überraschungen
Nakagaki hat die U-Bahn von Tokio nachgebildet, wobei die Stationsknoten mit Hafer markiert waren; P. polycephalum habe es fast genau nachgebildet – mit der Ausnahme, dass die Slime-Mold-Version robuster gegen Beschädigungen war, sodass der Rest des Netzwerks weitermachen konnte, wenn eine Verbindung unterbrochen wurde.
Ein weiteres Forscherteam fand heraus, dass der Protist dies effizient tun konnte Lösen Sie das Problem des Handlungsreisenden , eine exponentiell komplexe mathematische Aufgabe, die Programmierer routinemäßig zum Testen von Algorithmen verwenden.
Anfang des Jahres hat ein Forscherteam das herausgefunden P. polycephalum kann sich „merken“, wo es war zuvor gefundenes Essen basierend auf der Struktur der Adern in diesem Bereich. Dies folgte früheren Untersuchungen von Dussutour und ihren Kollegen, die entdeckten, dass Schleimpilzklumpen dazu in der Lage sind Substanzen lernen und merken die ihnen nicht gefielen, und gaben diese Information an andere Schleimpilzklumpen weiter, sobald diese verschmolzen waren.
„Ich bin immer noch erstaunt darüber, wie komplex sie in gewisser Weise sind, weil sie einen in einem Experiment immer überraschen und nie genau das tun würden, was man tun möchte“, sagt Dussutour.
In einem Fall testete ihr Team ein Wachstumsmedium für Säugetierzellen und wollte sehen, ob der Schleim es mögen würde.
'Es gehasst Es. Es begann, diese seltsame dreidimensionale Struktur aufzubauen, damit es an der Leine gehen und entkommen konnte. Und ich denke: ‚Oh mein Gott, dieser Organismus‘.“
Ein Verarbeitungsnetzwerk
Obwohl es sich technisch gesehen um einen einzelligen Organismus handelt, P. polycephalum wird als Netzwerk betrachtet, das kollektives Verhalten an den Tag legt. Jeder Teil des Schleimpilzes arbeitet unabhängig und tauscht Informationen mit seinen benachbarten Abschnitten aus, ohne dass eine zentrale Verarbeitung erfolgt.
„Ich schätze, die Analogie wären Neuronen in einem Gehirn“, sagt Reid. „Sie haben dieses eine Gehirn, das aus vielen Neuronen besteht – das gilt auch für den Schleimpilz.“
Physarym polycephalum, „Der Klecks“
– Audrey Dussutour (@Docteur_Drey) 3. April 2021
Netzwerkentstehung
Schwingungswellen #Klecks pic.twitter.com/kJUhH0w05a
Diese Gehirnanalogie ist wirklich faszinierend und es wäre nicht das erste Mal P. polycephalum wurde mit einem Netzwerk von Neuronen verglichen. Die Topologie und Struktur von Gehirnnetzwerken und Schleimpilzklecksen sind sehr ähnlich und beide Systeme weisen Oszillationen auf.
Es ist nicht ganz klar, wie Informationen im Schleimpilz verbreitet und weitergegeben werden, aber das wissen wir P. polycephalum Die Venen ziehen sich zusammen und fungieren als peristaltische Pumpe, die zytoplasmatische Flüssigkeit von Abschnitt zu Abschnitt drückt. Und Schwingungen in dieser Flüssigkeit scheinen mit Begegnungen mit äußeren Reizen zusammenzufallen.
„Man geht davon aus, dass diese Schwingungen durch die Art und Weise, wie sie interagieren, Informationen übermitteln, Informationen verarbeiten und gleichzeitig tatsächlich das Verhalten hervorrufen“, sagt Döbereiner gegenüber Energyeffic.
„Wenn Sie ein Netzwerk von haben Physarum Geht der Körper zu einem bestimmten Lebensmittel, ändert er sein Schwingungsmuster, wenn er auf Zucker trifft: Er beginnt schneller zu schwingen. Aufgrund dieser schnelleren Schwingungen beginnt der gesamte Organismus, sein Schwingungsmuster zu ändern und in die Richtung zu fließen, in der die Nahrung gefunden wurde.
Er und Kollegen hat kürzlich einen Artikel veröffentlicht Dies zeigt, dass diese Schwingungen den Schwingungen eines Gehirns außerordentlich ähnlich sind, nur dass es sich dabei um ein hydrodynamisches System und nicht um elektrische Signale handelt.
„Relevant ist nicht so sehr, was oszilliert und wie die Informationen transportiert werden“, erklärt er, „sondern dass es oszilliert und dass eine Topologie relevant ist – ist ein Neuron mit 100 Neuronen verbunden oder nur mit zwei; Ist ein Neuron nur mit seinen Nachbarn verbunden oder ist es mit einem anderen, sehr weit entfernten Neuron verbunden?
P. polycephalum wächst auf einem lebensgroßen Modell eines menschlichen Schädels. ( Andrew Adamatzky, Künstliches Leben, 2015 )
Erkenntnis definieren
So aufregend seine Eskapaden auch erscheinen mögen, das wird Ihnen jeder Forscher, der damit arbeitet, bestätigen P. polycephalum ist an sich kein Gehirn. Soweit wir das beurteilen können, ist es nicht in der Lage, eine Verarbeitung auf höherer Ebene oder abstraktes Denken durchzuführen.
Es ist auch nicht wahrscheinlich, dass sich daraus so etwas wie ein Gehirn entwickelt, so faszinierend die Vorstellung auch erscheinen mag. Der Organismus hatte eine Milliarde Jahre Zeit, dies zu tun, und es gibt keine Anzeichen dafür, dass er sich in diese Richtung entwickeln würde (obwohl die Idee einem Science-Fiction-Autor gefällt, der gerne damit weitermachen sollte).
Aus biologischer Sicht ist Schleimpilz äußerst einfach. Und gerade dadurch verändert sich unser Verständnis von Problemlösung.
Genau wie andere Organismen braucht es Nahrung, es muss sich in seiner Umgebung zurechtfinden und es braucht einen sicheren Ort zum Wachsen und Fortpflanzen. Diese Probleme können komplex sein und doch P. polycephalum kann sie mit seiner äußerst eingeschränkten kognitiven Architektur lösen. Dies geschieht auf seine eigene einfache Art und Weise und mit seinen eigenen Einschränkungen, sagt Reid, „aber das an sich ist eines der schönen Dinge an dem System.“
In gewissem Sinne hinterlässt es uns einen Organismus – einen nassen, schleimigen, feuchtigkeitsliebenden Klumpen – dessen Wahrnehmung sich grundlegend von unserer eigenen unterscheidet. Und genau wie die U-Bahn in Tokio kann sie uns neue Wege lehren, unsere eigenen Probleme zu lösen.
„Es bringt uns im Grunde etwas über die Natur der Intelligenz bei, stellt bestimmte Ansichten in Frage und erweitert im Grunde das Konzept“, sagt Reid.
„Es zwingt uns, diese lange gehegte anthropozentrische Überzeugung in Frage zu stellen, dass wir einzigartig und zu so viel mehr fähig sind als andere Lebewesen.“