圖片來源：Anatoly Mikhaltsov Wikimedia (CC BY-SA 4.0)
人類對自己的大腦及其強大力量的痴迷是可以理解的。畢竟，還有多少其他物種發明了布洛芬、電熱毯和歡樂時光？但也許，我們是時候深吸一口氣，退後一步，問問細胞都能做什麼事情。
我最近寫了一篇文章，關於巨大的喇叭狀單細胞捕食者喇叭蟲如何能改變它的“想法”。但這不是第一次甚至第二次，自由生活的細胞顯示出它們擁有類似認知的跡象。眾所周知，天藍喇叭蟲（游泳喇叭蟲）能夠“習慣”被觸控；當你戳它足夠長的時間後，它會很快停止收縮，它能記住在至少幾個小時內不那麼敏感。沒人知道是怎麼回事。
喇叭蟲和另一種叫做草履蟲的纖毛蟲透過經驗，改進它們從毛細管逃逸的時間（齧齒動物經典實驗的微生物版本，稱為“跑道”學習模式），儘管對於喇叭蟲，只有在毛細管是垂直的情況下它們才會逃逸。
在20世紀中葉，科學家實際上已經對草履蟲進行了多次巴甫洛夫犬的狗實驗（也稱為經典條件反射實驗）。Beatrice Gelber於20世紀50年代獨自在芝加哥大學做研究，她表明草履蟲經過訓練後，會將金屬絲與粘著的美味細菌聯絡起來，即使後來沒有細菌，它們仍然會聚集在金屬絲上。在沒有細菌的金屬絲上接受訓練的草履蟲則不會。儘管最近的一項分析得出結論，她證實了結果，但當時她的實驗結論受到了強烈批評，並且大多被駁回。
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在20世紀70 年代的另一個值得注意的例子中，曼凱託州立大學的科學家對草履蟲進行了巴甫洛夫式的訓練，他們將草履蟲暴露於4秒時長的音訊中，最後兩秒伴隨電擊。經過兩三個回合後，大約一半或更多的草履蟲明顯害怕電擊槍，當只有音訊時，它們依然會產生“迴避反應”——向後猛縮和/或轉身並重新開始游泳。
令人難以置信的是，它們至少能在24小時內一直記得這樣做。如果音訊沒有繼續伴隨電擊，它們也能停止迴避反應，然後透過再次匹配點選來重新訓練。如果這項研究是可信的，它們還可以以某種方式區分300和500赫茲的頻率來決定是否開始逃跑。然而，使用電擊或熱等排斥刺激在纖毛蟲上進行的其他條件實驗，未能顯示出相關性。可以公平地說，如果該案例沒有侷限於細胞和聯想學習，那麼該證據是非常具有啟發性的。
另一個野生細胞學習的例子值得一提。在2008年發表的一項實驗中，黏菌絨泡菌(一種單細胞巨型變形蟲)學會了預測週期性噴出的寒冷乾燥空氣。經過三次有規律的定時噴氣迴圈後，黏菌的反應就像是在期待適當的時間再次噴出氣體一樣，它會放慢速度，這是它對不受歡迎氣體的常見反應。它不僅記得該氣體，還可以分辨時間。
如果記憶力是存在的，那麼所有這些明顯的學習和決定行為的機制是什麼？單細胞生物顯然沒有大腦或神經元，但它們有許多自然選擇可以對其起作用的其他複雜結構和分子。就像我上次寫的，像喇叭蟲和草履蟲這樣的纖毛蟲，這還是相當保守的觀點。
僅僅因為其他生命的生理結構與我們的不同，並不意味著他們沒有產生類似事物的硬體能力，也許它們有著與我們根本的和令人著迷的不同之處。如果目的相同，手段還重要嗎？
但有一種更令人震驚的可能性正在被越來越多的各領域的博士團隊所接受：動物和纖毛蟲確實使用著相同的機制。
以雪貂為例。在一個經典條件反射的例子中，研究人員訓練雪貂將一個訊號與一個刺激相關聯，該刺激會使雪貂在有規律的時間間隔眨眼，受訓練的雪貂會在單獨聽到訊號後的適當時刻眨眼。2014年，一項對負責定時眨眼的雪貂腦細胞的研究表明，單個細胞能夠獨自學習和預測同樣的時間間隔。
其他實驗還追蹤了海蛞蝓類的海兔的鰓退縮反射的習性與個體細胞變化的關係。最近對海蛞蝓和齧齒動物的研究表明，某些記憶可以透過RNA和DNA在動物或世代之間轉移。記憶也會在一種黏菌與另一種黏菌融合時轉移。對各個層次生命的研究表明，單個細胞或非神經細胞網路能夠形成記憶。顯然，大腦和神經並不是記憶的決定因素。
儘管我們不能肯定自由生活的單細胞（如果它們確實可以形成記憶）使用了與脊椎動物相同的記憶方法，但它們似乎確實擁有相同的工具包。主要的硬碟驅動器“嫌疑物件”是DNA或蛋白質標記物。這個想法是，在記憶形成的過程中，甲基原子團等小化學物質可以被新增到DNA組蛋白（DNA上纏繞的蛋白質）或細胞中的其他蛋白質中，或被從中去除。
之後，這些物理標記物會透過物理手段改變其與工作酶的接觸，或者與某些現存蛋白質的接觸，這些蛋白質做或不做它們的工作，抑或做得更好或更壞，從而讓基因有可能轉變為蛋白質，進而記憶可能以這樣的方式（有時是直接的，有時非常的複雜）形成。如果DNA或蛋白質可以看作硬碟驅動器的想法似乎有些誇張，但值得注意的是，單個蛋白質的能力可能遠遠超出我們的預期；至少最近的一份報告表明，單一蛋白質可能相當於果蠅中的可程式設計六分鐘計時器。
化學標記物肯定也不是唯一的懷疑物件。可以想象，還有其他結構和作用機制（例如細胞骨架，細胞外基質、生物電，甚至簡單的蛋白質聚集）可用於編碼記憶。最近的一篇論文表明，管道大小的黏菌——就像構成有機體的肉眼可見的大型管道一樣——可能是一個記憶庫。任何給定生物的記憶形成都有可能依賴於幾個系統。各種生命形式可能依賴於各種方法的特徵組合。
或者，就像遺傳密碼一樣，生物體內有一個或多或少的統一系統。1962年，Gelber寫道：“簡單地說，我們假設記憶印跡一定被編碼在大分子物質中...... 有可能，編碼新反應的生化和細胞生理過程在所有物種門類中都是連續的（就像遺傳密碼一樣），因此對於原生動物和哺乳動物來說是記憶過程是相當相似的。”
早在20世紀初，Jennings也感覺到並相信，動物的行為活動往往是對單細胞生命中業已存在系統的闡述。我們的單細胞共同祖先中已經存在的學習和記憶系統，可以幫助我們解釋最近的實驗，這些實驗表明植物也可以學習和記憶。
一個更大膽的問題出現了：是否有一個更高層面的系統來組織這些系統？計算生物學家Dennis Bray在其2009年出版的Wetware一書中推測，細胞具有蛋白質形式的神經元和互鎖蛋白質級聯形式的神經網路；連續的蛋白質碰撞改變了它們在神經網路中的目標（可能是其他蛋白質或者甚至是基因），以及透過生物線路或電路傳遞和處理資訊的能力。細胞甚至可能有某種中央處理單元（他的書的副標題是“每個活細胞中的計算機”）。
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在動物體中，他認為該系統可能存在於中心體中，在這裡，系統可以整合攜帶細胞內外環境資訊的蛋白質運輸的評估，並採取行動以產生類似決定的東西。而越來越多的證據似乎都表明，決策能力正是單細胞喇叭蟲所擁有的。
當然，從證據來看，這其中的大部分我們還不清楚。在我寫這篇文章的時候，生物學家隱約瞥見了細胞真實而驚人的複雜性(染色體外的DNA環和DNA中的暗物質只是另外兩個例子)，並在海上的一艘船中興奮地談論著新發現的大陸的性
考慮到令人震驚的是(對我來說)，人們對巴甫洛夫條件反射如何在動物大腦中運作缺乏共識(這也讓我覺得，自信地宣稱自由意志是一種近乎魯莽的幻覺)，我認為是時候讓我們拋棄關於細胞有什麼能力這個先入為主的概念，而不是拋棄意想不到的實驗結果。Jennings和Gelber得到了差不多相同的待遇，因為針對他們的批評者已經決定他們的結果是不可能的。得益於分子革命，我們現在看到，也許他們的結果並沒有那麼牽強。
如果敏感植物真的可以學習，黏菌可以記憶，喇叭蟲可以下決定，未來幾年最令人興奮的生物學前景之一，將是發現它們是如何做到的。我們可能會震驚地意識到，就像我們以前一樣，它們與我們沒有那麼大的區別。
撰文：Jennifer Frazer是美國科學促進會科學新聞獎的獲獎科學作家。
翻譯：魏書豪
審校：郭曉
引進來源：科學美國人
本文來自：中國數字科技館
