У микробов обнаружена способность к предвидению

Источник: bath.ac.uk

Израильские ученые обнаружили у микроорганизмов (кишечной палочки Escherichia coli и дрожжей Saccharomyces cerevisae) способность к опережающему реагированию, напоминающую классические павловские условные рефлексы. Если в естественной среде обитания микробов один стимул часто предшествует другому, то микробы могут научиться реагировать на первый стимул как на сигнал, предупреждающий о скором появлении второго стимула. В отличие от собак Павлова, микробы приобретают свои «рефлексы» не путем обучения, а за счет мутаций и отбора в длинной череде поколений.

Многие животные способны уловить в череде сигналов, поступающих из внешней среды, определенные закономерности и использовать их для «предвосхищения» грядущих событий — опережающего реагирования. В этом суть классических условных рефлексов, изученных И. П. Павловым. Если во время кормления собаки (или за несколько секунд до его начала) включать звуковой сигнал, то вскоре одного этого сигнала будет достаточно, чтобы у собаки началось слюноотделение.

У организмов, лишенных нервной системы, в том числе у одноклеточных, способности к прижизненному обучению резко ограничены. Но это не значит, что они принципиально не способны к опережающему реагированию. Теоретически, они могут научиться предвосхищать события не хуже павловских собак, но только не за счет прижизненного обучения, а за счет эволюции. Иными словами, вместо «обычной» памяти, которая записывается в структуре межнейронных связей, можно использовать память генетическую, записанную в ДНК. Благодаря гигантской численности популяций микробов, высокой скорости мутирования и очень быстрой смене поколений такое «эволюционное обучение» у микробов теоретически может быть вполне сопоставимо по своей скорости с «обычным» обучением у высших животных.

Как и в случае с собаками Павлова, необходимым условием для развития опережающего реагирования у микробов является известная степень предсказуемости среды. Если стимул А всегда или очень часто предшествует стимулу Б, и при этом природа стимула Б такова, что к нему лучше начинать готовиться заранее, то организм может научиться воспринимать стимул А как «предупреждение» о скором появлении стимула Б. В такой ситуации естественный отбор может поддержать мутации, которые позволят организму начать подготовку к стимулу Б в ответ на «предупреждающий» стимул А.

Теоретически, в зависимости от того, каким образом два стимула сочетаются друг с другом во времени, могут оказаться выгодными разные стратегии реагирования (см. рисунок). Из четырех вариантов, показанных на рисунке, первый — самый тривиальный — давно известен и изучен на бесчисленном множестве примеров. Второй изучен хуже, но его существование убедительно показано в экспериментах на дрожжах (Acar et al., 2008. Stochastic switching as a survival strategy in fluctuating environments).

На третьем варианте (симметричное опережающее реагирование) нужно остановиться подробнее. Он был открыт только в прошлом году у кишечной палочки (Tagkopoulos et al., 2008. Predictive behavior within microbial genetic networks). При этом впервые была показана способность микробов к опережающему реагированию. Кроме того, впервые удалось продемонстрировать, что эволюция генно-регуляторных сетей у микроорганизмов действительно может имитировать процесс обучения у высших животных.

Подробнее...