Wyliczenia badaczy z Washington University w St. Louis sugerują, że bakterie mogą teoretycznie uczyć się i wyciągać wnioski. Zespół naukowców pod kierunkiem Michaiła Tichonowa publikuje w czasopiśmie naukowym „eLife” pracę, w której wyjaśnia, jak to jest możliwe.
Jak pozbawione mózgu bakterie mogą wyciągać wnioski
Badacze podkreślają, że nie chodzi im o „uczenie się” w toku ewolucji przez wiele pokoleń, wskutek zmian, jakie zachodzą w genach. Chodzi o uczenie się przez pojedyncze komórki bakterii w czasie trwania ich indywidualnego życia.
Z punktu widzenia teorii informacji uczenie się polega na tym, że organizm może rejestrować bodźce, ich zmiany oraz korelacje między bodźcami. Na tej zaś podstawie może dostosowywać swoje reakcje, czyli wyciągać wnioski.
– Bakterie nie mają mózgów – przypomina Tichonow. To oczywisty fakt, nie mają bowiem nie tylko układów nerwowych, ale i zróżnicowanych tkanek, które posiadają organizmy wielokomórkowe. Bakterie są po prostu pojedynczymi komórkami.
Praca badaczy dowodzi jednak, że mimo to bakterie mogłyby w zasadzie robić to, co my: uczyć się na podstawie przeszłych doświadczeń i dostosowywać swoje przyszłe reakcje.
Proste układy mogą wykonywać złożone obliczenia
– Dowodzimy, że taki rodzaj przetwarzania informacji można osiągnąć w prostych układach, przypominających układy, w które wyposażone są bakterie – wyjaśnia Tichonow. Przy czym zastrzega, że mówi o „układach” w bardzo abstrakcyjnym sensie, z czysto fizycznego punktu widzenia.
Badacze wyliczają, jakie warunki musiałyby być spełnione, by bakterie mogły się uczyć. Pierwszym jest posiadanie przez nie większej liczby elementów regulujących, czyli regulatorów, niż wydaje się to potrzebne do przeżycia. Drugim jest to, że regulatory same mogą się aktywować. Trzecim zaś funkcjonowanie w złożonym środowisku, w którym zachodzą tzw. procesy nieliniowe.
Wszystkie te warunki są spełnione w przypadku bakterii. – Jednak mikrobiolodzy badają zwykle te mikroby w warunkach laboratoryjnych, gdzie środowisko jest ściśle kontrolowane – a więc proste, mówi Tichonow. Korzyści z uczenia się pojawiają się dopiero, gdy bakterie działają w naturalnym, nieprzewidywalnym i zmiennym środowisku – tłumaczy uczony.
Uczyć się mogą jednokomórkowe śluzowce. Dlaczego więc nie bakterie?
Praca badaczy dowodzi, że bakterie mogłyby teoretycznie uczyć się na podstawie przeszłych doświadczeń i dostosowywać swoje przyszłe reakcje. Nie dowodzi, że to robią, choć zdolne do wyciągania wniosków i uczenia się są na przykład jednokomórkowe śluzowce (można je nauczyć reakcji na bodźce, a nawet odnajdowania drogi w labiryncie).
To praca teoretyczna, która pokazuje spojrzenie fizyków na biologię. Tichonow ma nadzieję, że wykaże w ten sposób, iż przyjęte w biologii teorie narzucają badaczom ograniczenia i skłoni biologów do stawiania nowych pytań. – Naszą nadzieją jest, że eksperymentatorzy przeczytają naszą pracę i będą mogli rozpoznać kluczowe składniki w systemach, które badają – mówi Tichonow.
Praca badaczy może też być podstawą do odpowiedzi na pytanie, dlaczego bakterie wykorzystują wiele regulatorów i sposobów modyfikacji tych samych szlaków biochemicznych. Z punktu widzenia ewolucji jest to przecież marnotrawstwo.
Źródła: Washington University St. Louis, eLife.