Inteligencja Śluzowców

Na szalce Petriego rozlewa się żółta, pulsująca sieć. Nie ma oczu, mięśni ani komórek nerwowych. Kiedy jednak w pobliżu pojawia się pokarm, sieć zaczyna zmieniać kierunek, wycofywać się z nieopłacalnych odnóg i wzmacniać połączenia prowadzące do celu.

To Physarum polycephalum, jeden z najlepiej zbadanych śluzowców. Jego zachowanie bywa przedstawiane jako dowód na istnienie inteligencji bez mózgu. To efektowne określenie, ale kryje się za nim znacznie ciekawsza historia: organizm, którego ciało samo pełni funkcję czujnika, układu transportowego i zmieniającego się zapisu wcześniejszych zdarzeń.

Jedna komórka, miliony jąder

Mimo potocznej nazwy śluzowiec nie jest grzybem. Physarum polycephalum należy do Amoebozoa. W widocznej gołym okiem fazie życia, nazywanej plazmodium, tworzy jedną olbrzymią komórkę zawierającą miliony jąder. Jej powierzchnia może rozciągać się na wiele centymetrów i przyjmować postać wachlarza połączonego siecią cienkich rurek.

Wewnątrz tych rurek cytoplazma płynie rytmicznie w obie strony. Przepływ nie tylko rozprowadza pokarm. Transportuje również sygnały chemiczne i pozwala odległym częściom komórki zmieniać zachowanie w skoordynowany sposób. Nie ma tu centrum dowodzenia. Poszczególne fragmenty reagują lokalnie, ale ich skurcze i przepływy wpływają na całą sieć.

To zasadnicza różnica między Physarum a zwierzęciem. U zwierząt informacja jest zwykle zbierana przez wyspecjalizowane narządy i przetwarzana w układzie nerwowym. Śluzowiec wykrywa wilgoć, światło, związki chemiczne i mechaniczne zmiany podłoża całą powierzchnią ciała. Jego „układ obliczeniowy” jest rozproszony po strukturze, która jednocześnie porusza się i nieustannie zmienia kształt.

Labirynt i kolej wokół Tokio

Eksperyment, który rozsławił Physarum, opublikowano w 2000 roku w czasopiśmie „Nature”. Badacze umieścili fragmenty plazmodium w labiryncie, a pokarm położyli w dwóch oddalonych punktach. Początkowo organizm zajmował wiele korytarzy. Później wycofał cytoplazmę ze ślepych i dłuższych odnóg, pozostawiając połączenie o minimalnej długości.

„Ten prosty organizm potrafi znaleźć rozwiązanie o minimalnej długości między dwoma punktami w labiryncie” - Toshiyuki Nakagaki, Hiroyasu Yamada i Ágota Tóth, tłumaczenie redakcyjne.

Nie był to jednak odpowiednik człowieka stojącego przed wejściem do labiryntu i planującego drogę. Organizm został rozłożony w wielu jego częściach. Rozwiązanie powstało przez stopniowe zanikanie mniej korzystnych połączeń. To nadal niezwykłe, ale nie wymaga wyobrażania sobie ukrytej mapy ani świadomego celu.

Dziesięć lat później zespół Atsushiego Tero rozmieścił źródła pokarmu w punktach odpowiadających miastom wokół Tokio. Warunki doświadczenia odwzorowywały też część ograniczeń geograficznych. Physarum połączyło „miasta” siecią, którą porównano z rzeczywistym układem kolei.

Nie skopiowało mapy i nie pokonało japońskich inżynierów. Utworzona sieć osiągnęła jednak podobny kompromis między całkowitą długością połączeń, sprawnością transportu i odpornością na przerwanie jednej z tras. Badanie pokazało, że proste lokalne reguły mogą prowadzić do struktur przypominających rozwiązania projektowane przez ludzi.

Ciało, które oblicza przepływem

Kluczem jest dodatnie sprzężenie zwrotne. Rurki w ciele Physarum rytmicznie się kurczą, wprawiając cytoplazmę w ruch. Gdy organizm wykrywa pożywienie, uruchamiany jest sygnał chemiczny. Jego dokładna natura nie została jeszcze w pełni ustalona, ale wiadomo, że jest przenoszony przez wewnętrzny przepływ i wpływa na kolejne skurcze.

Sygnał może zwiększać amplitudę skurczów, a silniejsze skurcze napędzają przepływ, który rozprowadza sygnał dalej. Jednocześnie rurki transportujące więcej cytoplazmy są wzmacniane i poszerzane. Te, które pozostają słabo używane, kurczą się albo znikają.

W rezultacie sieć sama dostosowuje się do obciążenia. Nie potrzebuje centralnego procesora, który mierzy wszystkie trasy i wybiera najlepszą. Każdy fragment reaguje na miejscowy przepływ, lecz suma tych reakcji przebudowuje organizm w skali całego ciała.

Warto zapamiętać: Physarum nie oddziela obliczania od ruchu. Przetwarza informacje, zmieniając przepływ i geometrię własnego ciała.

Ten mechanizm zainteresował matematyków, informatyków i projektantów sieci. Modele inspirowane Physarum wykorzystuje się do badań nad optymalizacją transportu, trasowaniem i odpornymi sieciami. Są to jednak algorytmy naśladujące wybrane reguły biologiczne, a nie cyfrowe kopie całego organizmu.

Pamięć pozostawiona na podłożu

Jedną z najbardziej niezwykłych zdolności śluzowca odkryto poza jego ciałem. Podczas ruchu Physarum pozostawia warstwę śluzu. W eksperymentach opublikowanych w 2012 roku organizm zwykle unikał miejsc pokrytych własnym wcześniejszym śladem. Dzięki temu rzadziej badał obszary, które już okazały się nieprzydatne.

Badacze nazwali ten mechanizm zewnętrzną pamięcią przestrzenną. Ślad nie zawiera wspomnienia w ludzkim znaczeniu. Pełni jednak podobną funkcję: informacja o poprzedniej trasie wpływa na późniejsze zachowanie. Kiedy całe podłoże pokryto śluzem, a więc usunięto kontrast między miejscami odwiedzonymi i nowymi, Physarum gorzej radziło sobie z wydostaniem się z pułapki w kształcie litery U.

Inny rodzaj pamięci badano przy użyciu kofeiny i chininy. Substancje były dla Physarum odstręczające, lecz w zastosowanych warunkach nie stanowiły niebezpieczeństwa. Śluzowiec musiał przechodzić przez zawierający je most, aby dotrzeć do pokarmu.

Po kolejnych próbach organizmy pokonywały przeszkodę sprawniej i wykazywały słabszą reakcję unikania. Kiedy bodziec usunięto na pewien czas, ostrożność powracała. Wynik spełniał podstawowe kryteria habituacji, czyli prostej formy uczenia się polegającej na zmniejszeniu reakcji na powtarzający się bodziec.

Nie jest to dowód na uczenie asocjacyjne podobne do warunkowania Pawłowa. Nowsze przeglądy podkreślają, że przekonująca demonstracja takiego uczenia się u Physarum nadal nie została przeprowadzona. Habituacja i pamięć przestrzenna mają mocniejsze podstawy eksperymentalne.

Czy rurki naprawdę pamiętają?

W 2021 roku Mirna Kramar i Karen Alim zaproponowały jeszcze jeden mechanizm. Zaobserwowały, że po wykryciu pokarmu zmienia się hierarchia średnic w sieci. Rurki prowadzące w stronę bodźca poszerzały się, a ta przebudowa wpływała na późniejszy przepływ i kierunek migracji.

Autorki uznały, że architektura ciała może przechowywać informację o położeniu pokarmu. Innymi słowy, zapis doświadczenia znajdowałby się nie w wyspecjalizowanych komórkach, lecz w różnicach między grubszymi i cieńszymi odcinkami sieci.

Interpretacja spotkała się również z krytyką. W liście opublikowanym przez PNAS inni badacze argumentowali, że eksperyment dobrze pokazuje reakcję chemotaktyczną i przebudowę rurek, ale nie rozstrzyga jednoznacznie, czy nastąpiło zapamiętanie oraz późniejsze odtworzenie informacji po ustaniu bodźca. Najbezpieczniej traktować więc geometrię sieci jako prawdopodobny nośnik informacji o niedawnej historii organizmu, a nie zamknięty dowód na odpowiednik pamięci znanej z układu nerwowego.

Inteligencja czy sprawna adaptacja?

Odpowiedź zależy od tego, jak zdefiniujemy inteligencję. Jeżeli ma ona oznaczać świadomość, refleksję albo tworzenie abstrakcyjnych planów, badania nad Physarum nie dostarczają na to dowodów. Śluzowiec nie posiada neuronów, synaps ani struktur odpowiadających mózgowi.

Jeżeli jednak inteligencję rozumiemy funkcjonalnie jako zdolność do wykrywania informacji, porównywania możliwości, zmieniania zachowania pod wpływem doświadczenia i rozwiązywania problemów istotnych dla przetrwania, Physarum spełnia część tych kryteriów. Dlatego badacze mówią o poznaniu bazalnym lub nie-neuronalnym.

Najważniejszy wniosek nie brzmi więc, że żółta plama myśli tak jak człowiek. Physarum pokazuje coś bardziej fundamentalnego: mózg jest jednym z możliwych sposobów przetwarzania informacji, ale nie jedynym. Zanim w ewolucji pojawiły się neurony, żywe układy już musiały wykrywać szanse, unikać zagrożeń i wykorzystywać skutki wcześniejszych zdarzeń.

W przypadku śluzowca rozwiązaniem stało się całe ciało - pulsująca sieć, która jednocześnie szuka, transportuje, zmienia się i zachowuje ślady własnej przeszłości.