ラッパムシが収縮するか分離して泳ぎ去るかの確率は、きれいに半々。このことから、細胞が分子レべルでどのようにプログラミングされているかをうかがい知ることができる。
細胞は分子レベルでコイン投げをしている。でも、私たちはこのコイン投げのメカニズムを知らない。
体内にある一つひとつの細胞がとりうる行動は、まだ解明されていない。細胞は、複雑な生態系のなかで、あたかもプログラムされているかのように行動する。細胞は、互いに話し合い、交渉し合い、信号に応答し、決定を下している。
単一の細胞が複雑な情報処理とそれに対応する意思決定、つまり何らかの細胞の認知について、もっと知りたい。
細胞が意思決定をするというのなら、分子は、原子は、そして素粒子は、何らかの意思決定をするのだろうか？ 電子や陽子や中性子に認知機能はあるのだろうか？
A Complex Hierarchy of Avoidance Behaviors in a Single-Cell Eukaryote
by Joseph P. Dexter, Sudhakaran Prabakaran1, Jeremy Gunawardena
https://www.cell.com/current-biology/fulltext/S0960-9822(19)31431-9
Complex behavior is associated with animals with nervous systems, but decision-making and learning also occur in non-neural organisms, including singly nucleated cells and multi-nucleate synctia. Ciliates are single-cell eukaryotes, widely dispersed in aquatic habitats, with an extensive behavioral repertoire. In 1906, Herbert Spencer Jennings described in the sessile ciliate Stentor roeseli a hierarchy of responses to repeated stimulation, which are among the most complex behaviors reported for a singly nucleated cell. These results attracted widespread interest and exert continuing fascination but were discredited during the behaviorist orthodoxy by claims of non-reproducibility. These claims were based on experiments with the motile ciliate Stentor coeruleus. We acquired and maintained the correct organism in laboratory culture and used micromanipulation and video microscopy to confirm Jennings’ observations. Despite significant individual variation, not addressed by Jennings, S. roeseli exhibits avoidance behaviors in a characteristic hierarchy of bending, ciliary alteration, contractions, and detachment, which is distinct from habituation or conditioning. Remarkably, the choice of contraction versus detachment is consistent with a fair coin toss. Such behavioral complexity may have had an evolutionary advantage in protist ecosystems, and the ciliate cortex may have provided mechanisms for implementing such behavior prior to the emergence of multicellularity. Our work resurrects Jennings’ pioneering insights and adds to the list of exceptional features, including regeneration, genome rearrangement, codon reassignment, and cortical inheritanceco, for which the ciliate clade is renowned.
単細胞生物も「考えてから行動」する：ラッパムシの実験から見えた意思決定の分子アルゴリズム
単細胞生物であるラッパムシは、実は「考えて」から行動している可能性がある──。そんな研究結果が、このほど公表された。外部から刺激を与えられたラッパムシは、どうやら“判断”を下して回避行動をとっているようなのだ。
https://wired.jp/2020/01/28/single-celled-mind/
人間社会では、考えなしに行動をする人のことを「単細胞！」と揶揄することがある。ところが当の単細胞生物は、これまで考えられていたよりも複雑に“思考”しているようだ。
「ラッパムシのような単細胞生物は、多細胞生物が生まれる以前は頂点に立っていた捕食者であり、多くの異なる水生環境で非常に広範囲に生息していました」と、ハーヴァード大学システム生物学部のジェレミー・グナワルデナ教授は説明する。「単細胞生物は何を避けるべきか、どこで食べるべきか、そして生きるために必要なすべてを把握すべく“利口”でなくてはなりません。それができる複雑な方法があるのは明らかでしょう」
つまり、単細胞生物は複雑な思考ができる──ということなのか？
ラッパムシが示した回避行動の意味
過去の研究を見ると、米国の生物学者ハーバート＝スペンサー・ジェニングスが1906年、繊毛虫の一種である単細胞生物「ラッパムシ（Stentor roeselii）」を題材にし、反復刺激に対する段階的な回避行動を報告している。トランペットのような形をしたラッパムシは、池や沼地などの腐敗した葉の裏などに付着している。
これは単細胞生物のなかでは非常に大きな生物だ。ラッパ状になった頭頂部の囲口部は、繊毛（せんもう）と呼ばれる毛のような突起に覆われていて、それらは遊泳や食物の摂取に欠かせない構造になっている。
このときジェニングス博士が実施した実験は、染料であるカーマインパウダーをラッパムシの口めがけて放出するという、非常にシンプルなものだった。それは単に、ラッパムシがわずらわしい刺激物に対してどう反応するのかを観察したものである。
刺激物に晒されたラッパムシは、最初に体をくねらせて刺激物を回避し、次に繊毛の動きを変えて回転した。また刺激物の粒子を吸い込む代わりに、それらを吐き出した。それでもわずらわしい刺激から解放されなければ、ラッパムシは付着部に向かって急激に縮み込み、ついには付着根を離して泳ぎ去ってしまった。
これら一連の回避行動は当時、単細胞生物で報告されたなかでは最も複雑な行動であると関心を引いた。ところが、1967年に実施された再実験ではこの回避行動を再現できず、長いあいだ忘れ去られていたのだという。
ところが今回、ラッパムシに興味を引かれた研究者がかつての論文を調べたところ、再現性に欠けると烙印を押された実験の対象はラッパムシの別種「Stentor coeruleus」だったことが判明した。こちらの種は何かに付着してエサを探すのではなく、遊泳を好む種だったというわけだ。
数学が証明した段階的な行動
そこでこのたび、100年越しとなる再実験が実施された。グナワルデナ率いる研究チームは、“正しい”ラッパムシである「Stentor roeselii」を対象にマイクロブラスティックのビーズを刺激物として使用し、外部刺激に対してジェニングスが報告したような回避行動を再現した。
その結果、ある個体は縮こまる前に繊毛を変化させて体を曲げたが、別の個体はただ収縮を繰り返した。またある個体は、交互に体を曲げたり収縮したりした。それらは論文に記されていたような秩序めいた段階的行動には遠く、回避行動には大きな個体差があるように見えたという。
そこで研究チームは、数学的モデルを使用してラッパムシの行動をコード化し、統計的にパターンを分析した。結果をみると、やはりラッパムシの回避行動には明確な順序があったようだ。
それらは最初に体をくねらせ、次に繊毛の動きを変えた。刺激が続くと収縮または分離して泳ぎ去った。最初から収縮したり分離したりする個体はなく、そこには明らかな行動の優先順位が認められたのだ。
興味深いのは、最初に単純な行動をとっていたラッパムシは中枢神経系がないにもかかわらず、刺激が続くと別の解決方法を試すべく“決断”したことである。「この段階構造は、生体内で実施されている比較的複雑な意思決定の計算のかたちをいくつか鮮明に示しています。ある行動を実行するほうが別の行動よりも適切かどうかを判断しているのです」と、グナワルデナは言う。
細胞にプログラムされている「決断」のアルゴリズム
さらに分析の結果を見ると、ラッパムシが収縮するか分離して泳ぎ去るかの確率は、きれいに半々だったことが明らかになった。この行動からは、細胞が分子レヴェルでどのようにプログラミングされているかをうかがい知ることができる。
「分子レヴェルの公正なコイン投げによって、決断をとり決めているようなものです。わたしたちはこれを実行できる既知のメカニズムを知りません。驚くほど興味深い現象ですが、これを明らかにするには定量的な測定が必要だったので、ジェニングスには観察できなかったのでしょうね」
彼らの研究は、例えばわれわれの体内にある一つひとつの細胞がとりうる“行動”に対しての認識を改めることになるかもしれない。例えば、がん細胞はあたかも“プログラム”されているかのように行動する。「細胞は非常に複雑な生態系に存在します。ある意味、細胞は互いに話し合い、交渉し合い、信号に応答し、決定を下しているのです」
この実験はラッパムシだけではなく、単一の細胞が複雑な情報処理とそれに対応する意思決定をしているという、何らかの細胞の“認知”の存在を示唆するものと言える。「すべての生命は同じ基盤をもっています。われわれの研究結果は、現代生物学研究にこの種の考え方をとり入れるべきひとつの理由になることでしょう」