Komputer jednokomórkowca

Co jeśli co najmniej kawałek zjawiska nazywanego przez nas (z braku konkretów) instynktem, okaże się wynikiem pracy „wewnętrznej maszyny liczącej”? Liczenie opłaca się organizmom, także człowiekowi. Pokazują to wszelkie badania analizujące konsekwencje dyskalkulii dla rozmaicie definiowanego sukcesu życiowego jednostek.

Zwierzęta mogą radzić sobie z arytmetyką nie gorzej od przedszkolaków – to już dziś naukowo stwierdzony fakt. Pszczoły, ryby, oczywiście gryzonie… nadal to jednak złożone, wyposażone w ośrodkowy układ nerwowy (sprawny mózg) wielokomórkowe organizmy. Złożone układy komórek, które muszą koordynować swoje współdziałanie, funkcjonowanie „na zewnątrz”, choćby w poszukiwaniu pokarmu.

Ewolucja faworyzuje zatem posiadanie „zdolności liczenia” czy szacowania od jednego rzutu oka (ewentualnie nozdrza) między „dużo” a „mało”. Liczenie opłaca się organizmom, także człowiekowi, co pokazują wszelkie badania analizujące konsekwencje dyskalkulii dla rozmaicie definiowanego sukcesu życiowego jednostek.

Nasz mózg zużywa jednak mnóstwo energii, zupełnie dla nas nieświadomie, gdy „w Polskę idziemy”. I to właśnie, że czasem krok mamy niekoniecznie równy, a nogi zdają się plątać, wynika z tego, że mózg pod wpływem substancji dla niego toksycznych, jak alkohol, nie jest w stanie na drodze procesowania informacji – obliczeń – poradzić sobie z koordynowaniem ruchu kończyn.

Nikt się jednak nie spodziewał, że i organizmy będące pojedynczymi komórkami (czy pojedyncze komórki będące całymi organizmami), definitywnie pozbawione układu nerwowego, przeprowadzają swoiste obliczenia i używają ich wyników do poruszania się w sposób skoordynowany. Co jeśli co najmniej kawałek zjawiska nazywanego przez nas (z braku konkretów) instynktem, okaże się wynikiem pracy „wewnętrznego komputera”? 

Na łamach niedawnego numeru „Current Biology” amerykańscy protozoolodzy (to tacy specjaliści od organizmów zwanych kiedyś pierwotniakami, dziś zaś protistami), biochemicy i biofizycy z Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Francisco pokazali, w jaki sposób jednokomórkowy organizm może ucieleśniać procesy obliczeniowe. Nie jest to może ideowo „najnowszy IBM”, ale mechaniczna maszyna licząca, jak np. ta Abrahama Jakuba Sterna z 1815 r., wykonującą w miarę bezbłędnie cztery podstawowe działania, a może i taka, która dałaby radę wyciągać pierwiastki i działać na ułamkach.

Kierowani przez Wallace’a Marshalla uczeni skupili się nad zdolnością do ruchu jednokomórkowca Euplotes eurystomus, sympatycznego wodnego orzęska, który porusza się za pomocą 14 ruchomych wyrostków (cirri). Każdy z nich składa się z wiązki rzęsek.

Tu na marginesie – generalnie orzęski, jak sama nazwa wskazuje, mają rzęski, które są ich organem zapewniającym mobilność. Niedługim na ogół i rozsianym po komórce w dość uporządkowany sposób.

Jego „chodzenie” komórkowe polega na regulowanych przejścia między dyskretnym zestawem kolejnych stanów chodu. Warto, byśmy zdali sobie sprawę – w czym wyjątkowo pomocny bywa skecz o „Ministerstwie głupich kroków” Monty'ego Pythona, że dokładnie tak właśnie sprawa się ma i z naszym chodzeniem. 

Wewnętrzne, białkowe połączenia między cirrusami kontrolują ich ruchy, pozwalając tym „nogom” poruszać się tylko wg określonych wzorców i sekwencji. Kiedy te wewnętrzne połączenia są zakłócone, ruchy tych wodnych organizmów stają się mniej produktywne – często prowadząc komórki do kręcenia się w kółko, zamiast chodzenia po linii.

Tu dodać warto, że każdy specjalista od orzęsków widział rozmaite mutanty tych jednokomórkowców (np. także „naszego kuzyna pantofelka”) o zaburzonym poruszaniu, rzecz cała zatem w oczywisty sposób jest determinowana genetycznie. 

 

„Wewnętrzny komputer”, którym posługuje się Euplotes, to mechaniczna (białkowa) maszyna licząca. Otóż gdyby zapomnieć, że to jednokomórkowiec, wydawałoby się pod mikroskopem, że oto porusza się maleńki owad. Ruch charakteryzowała bowiem ewidentna koordynacja „odnóży”.

Szczegółowa obserwacja polegała na analizie spowolnionych filmów rejestrujących chodzące komórki Euplotesa, w tempie zwolnionym do 33 klatek na sekundę, co pozwalało oznaczyć każdy cirrus z osobna. 

 

Jakie sposoby ruchu odnóży potrafimy sobie wyobrazić? Dobrej odpowiedzi udzielą tu fani hippiki: stęp, kłus, galop i cwał – w każdym z nich nogi zachowują się nieco inaczej, to nie jest tylko zmiana tempa. Euplotes jednak nie posługuje się żadnym z wzorców, które znamy dla organizmów czteronożnych, ani też sześcio- (jak owady) czy ośmionożnych (jak pajęczaki).

Nie chodził też naprzemiennie, jak dwunożni ludzie. Wyrostki Euplotesa okazały się jednak mieć pewne powtarzalne wzorce ruchu. Naukowcy scharakteryzowali 32 różne „stany chodu” lub kombinacje ruchów owych „nóg” zbudowanych z rzęsek, a także sekwencje owych kombinacji. 

 

Skoro coś nawet „na oko” nie wygląda przypadkowo, warto przyłożyć do tego maszynę liczącą, aby opisać możliwy algorytm. To jednak oznacza, że to, co staramy się opisać, też jest wewnętrznie sterowane przez algorytm, który staramy się odkryć. 

W szczegółach dostrzegalnych na poziomie molekularnym, a nie pod mikroskopem świetlnym pozwalającym analizować ruch tego protista, istnieje w komórce białkowe rusztowanie, zwane cytoszkieletem. U podstawy każdej rzęski każdego znanego orzęska znajduje się pewien dość charakterystyczny układ włókienek białkowych zbudowanych z podjednostek mikrotubuliny.

Mikrotubule są dokładnie tym, na co wskazuje ich nazwa – rodzajem nanorurek zbudowanych z niewielkich globulek białkowych dwóch podstawowych rodzajów mikrotubuliny. Rosną u jednego końca, by „topnieć” rozpadając się u drugiego.

Tak wygląda nanotechnologia mikrotubul we wszystkich żywych komórkach. Są niezbędne w wielu procesach, także związanych z podziałem komórki, zatem ta dynamika jest ściśle sterowana wewnętrznie. 

Gdy chemicznie czy mechanicznie uniemożliwić tę nieustającą marszrutkę i recykling kuleczek budujących koniec rosnący, mikrotubule przestają działać prawidłowo – stąd ruchy obserwowanego orzęska ze skoordynowanych stają się chaotyczne i przypadkowe. Zgodnie z oczekiwaniami, takie działanie.

Modelowanie komputerowe dynamiki ruchu Euplotesa i dynamiki jego mikrotubul pozwoliło pokazać, że naprężenie tych białkowych włókienek w mikrofundamentach połączonych ze sobą „anatomicznie” i funkcjonalnie rzęsek decyduje, które ruchy w danym momencie są możliwe, a które nie.

To jeszcze nie koniec. Jak zwykle w razach takich odkryć, potrzeba więcej eksperymentów i więcej modelowania, aby dokładnie zrozumieć, w jaki sposób włókna mikrotubul kontrolują poruszanie się tego orzęska. Na razie wydaje się to być zupełnie nową mechaniczną metodę kontrolowania przez komórkę jej stanu wewnętrznego.

Czy tak to działa u innych orzęsków? U innych protistów? Czy to jest jakaś uniwersalna metoda funkcjonowania komórek, tylko ruch łatwiej niż cokolwiek innego zobaczyć po prostu pod mikroskopem i analizować?

Ponieważ ruchy wykonywane przez protisty bywają bardzo złożone i różnorodne dla różnych ich grup ewolucyjnych, o komentarz poprosiłam specjalistkę, dr hab. Annę Karnkowską z Wydziału Biologii Uniwersytetu Warszawskiego. Jak wyjaśniła, organizm ten został wytypowany do badań jako model, który może posłużyć do zrozumienia innych sposobów poruszania się pojedynczych komórek, ale też innych zachowań organizmów jednokomórkowych, jak np. chwytanie ofiar przez ameby.

Podobne badania i analizy stanów mogą pomóc nam zrozumieć i – co najciekawsze – przewidywać zachowania różnych typów komórek.

#nauka #komputer #komórka #jednokomórkowce # instynkt #koordynacja