视频显示了单细胞生物做出复杂的决定–解决了有百年历史的科学辩论

新的研究可能已经搁置了一个世纪的历史，关于单细胞微生物Roeseli的行为，如下所示：（a）静止，（b）弯曲，（c）收缩和（d）响应于滑脱而分离刺激性。

现代技术和老式支腿解决了科学难题：视频显示了单细胞生物做出复杂决定的过程。

回避，分离和重定位的生活可能并不适合所有人，但对于单细胞真核生物 Stentor roeseli而言，这种特质行为模式的确认已经来了很长时间。

在今天（2019年12月5日）在当前生物学上发表的一项研究中，达特茅斯学院和哈佛医学院的研究人员希望通过证明低水平生物``S. roeseli具有决策能力。他们还提供了视频证据来证明这一点。

1906年，美国生物学家赫伯特·斯宾塞·詹宁斯（Herbert Spencer Jennings）报告说，斯坦特罗莎莉具有复杂的行为。为了回应刺激性刺激，詹宁斯说，罗氏乳杆菌有四种不同的行为：弯曲，睫状体改变，收缩和脱离。

缺乏中枢神经系统的生物体拥有复杂的感知和反应机制的消息在科学界引起了轰动。这些发现在有关动物行为的早期科学辩论中也发挥了关键作用。

“我们的结果提供了有力的证据，表明詹宁斯关于Stentor行为的原始观察是正确的，这将有助于解决长期以来的困惑。”—约瑟夫·德克斯特

半个多世纪后，詹宁斯的研究被1967年的一项实验揭穿了序幕，但未能复制詹宁斯的研究结果。这项研究使用了不同种类的有机体，但被科学界所接受。

现在，达特茅斯-哈佛医学院的研究小组已确认詹宁斯的原始发现。

通过在达特茅斯大学纽科姆计算科学研究所进行的一系列分析，该分析是对一个十年前在哈佛开始的项目的研究，研究人员观察到詹宁斯在一百多年前就注意到了相同的回避行为。

达特茅斯大学纽科姆计算科学研究所研究员，该研究的主要作者约瑟夫·德克斯特说：“我们的结果提供了有力的证据，表明詹宁斯对Stentor行为的原始观察是正确的，这应该有助于解决长期以来的困惑。”现在，我们有了一个透明的数据集，我们邀请研究人员观看完整的视频集，以详细了解 S. roeseli对刺激做出反应。

“我们的发现表明，单细胞比我们通常认为的要复杂得多。”—杰里米·古纳瓦德纳（Jeremy Gunawardena）

Stentor roeseli是无色，喇叭形的原生动物，肉眼可见，类似于留声机的号角。

为了重建詹宁斯的实验，研究小组首先必须获得1900年代初使用的特定生物物种。经过努力，包括在马萨诸塞州东南部的池塘中涉水，该团队通过当地供应商Sciento从英格兰曼彻斯特的一个高尔夫球场获得了一个样本。

然后，研究人员开发了一个操纵生物体的平台，使它们能够靶向刺激性物质的传递。他们决定使用聚苯乙烯珠子来刺激测试中生物体的反应。这与原始实验中使用的粉末有所不同，但是它导致了可观察到的响应，这被认为是 S. roeseli。

当使用基于重力的系统通过微注射针喂入微珠时，研究人员在观察和记录实验的同时努力保持显微镜图像的焦点。

在视频中，研究人员演示了 S. “ roeseli通过弯曲或改变其类似头发的纤毛的节拍来避免刺激物，以免被摄入。为了响应刺激，生物体也可能收缩成一个保护球，或从锚定在其上的藻类分离并游到新的地点。

经过多年的现场工作，视频显微镜，显微操作和定量分析，研究人员终于有了证据，他们需要确认詹宁斯的发现，即单细胞有机体具有复杂的回避行为能力。

“结果是漫长而高度协作的过程的结晶。面对如此有趣的历史问题，并在此过程中面对一些不寻常的挑战，这是非常令人满足的。”德克斯特说。

哈佛医学院布拉瓦特尼克研究所系统生物学副教授杰里米·古纳瓦德纳（Jeremy Gunawardena）说：“我们的发现表明，单细胞比我们通常认为的要复杂得多。”“他们必须'聪明'地弄清应该避免什么，在哪里吃以及生物必须生存的所有其他事物。我认为很明显，他们可以采用复杂的方法来做到这一点。”

除了演示生物体对刺激的反应方式外，研究小组还证实詹宁斯发现S。 “ roeseli使用行为的层次结构。尽管研究小组发现了几乎没有遵循整个层次结构的生物实例，但他们观察到许多具有不同发生顺序的局部实例，最终得出结论，行为层次存在。

根据该论文，研究小组认为行为等级是“顺序决策的一种形式，在这种意义上，当反复受到相似的刺激时，有机体会改变主意以做出响应，从而遵循观察到的等级。”

通过生成比1900年代初期实验更大，更丰富的数据集，研究小组还证明了有机体的决策与习惯或经典条件不同。研究小组指出，生物体在收缩和脱离之间的选择类似于抛硬币的可能性相同。

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参考：Joseph P. Dexter，Sudhakaran Prabakaran和Jeremy Gunawardena撰写的“单细胞真核生物中回避行为的复杂层次”，2019年12月5日，当前生物学。DOI：
10.1016 / j.cub.2019.10.059

目前在剑桥大学和IISER浦那分校工作的Sudhakaran Prabakaran也参加了该研究项目。