Biolodzy od ponad wieku zastanawiają się, jak jednokomórkowe organizmy mogą koordynować ruchy swoich „części napędowych” – np. rzęsek, wici czy wypustek – skoro nie posiadają układów nerwowych. Dwóch biologów z University of California w San Francisco twierdzi, że dzieje się to dzięki czemuś w rodzaju mechanicznych komputerów.

Zaobserwowano to u orzęsków, do których należy m.in. znany z lekcji biologii pantofelek. Do końca ubiegłego wieku pierwotniaki te zaliczane były do królestwa zwierząt, obecnie znalazły się w odrębnym królestwie protistów .

Ben Larson, biolog z University of California w San Francisco zauważył, że badane przez niego orzęski aktywnie unikają zjedzenia przez drapieżniki dzięki swojemu sposobowi poruszania się. Przypominał mu on sposób, w jaki chodzą owady. Zaintrygowany zaczął je filmować i skrupulatnie odnotowywać ruchy każdego odnóży.

Larson wraz z Wallace’m Marshallem z tej samej uczelni ustalili, że jest to organizm z rodzaju Euplotes. Te jednokomórkowe orzęski żyją w wodach słodkich i morskich. Mogą pływać, ale i chodzić po powierzchniach dzięki 14 sztywnym, ruchomym wyrostkom utworzonym z rzęsek (nazywanych cirri).

Pierwotniaki mają ośrodek przetwarzania informacji

Zwierzęta, które mają układ nerwowy, zawiadują ruchem odnóży dzięki powtarzającym się wzorcom ich ruchów. Pozwala to na koordynację nóg nawet gdy jest ich wiele, jak u wijów, które mają ich od 11 aż do 750 par.

U badanego orzęska z rodzaju Euplotes ruchy odnóży nie powtarzały się w stałym rytmie. Wprowadzanie nieprzewidzianych sekwencji ruchów też może być przystosowaniem – takie rozwiązanie stosują m.in. konstruktorzy robotów – bo zapobiega zakleszczeniu się w ciasnych miejscach lub na przeszkodach.

Ale ruchy odnóży badanych orzęsków nie były też zupełnie przypadkowe. To wskazuje na jakiś rodzaj systemu kontroli, który nimi zawiaduje – twierdzi Larson.

Głównym kandydatem na „ośrodek przetwarzania informacji” u jednokomórkowca są mikrotubule. To struktury, które tworzą cytoszkielet większości komórek i po których odbywa się transport wielu białek. U Euplotes mikrotubule stanowią połączenia między odnóżami.

Białka tworzą mechaniczne maszyny obliczeniowe w komórkach

Badacze dodali więc do wody związek, który hamuje tworzenie miktotubuli. Tak, jak przypuszczali, zaburzyło to ruchy odnóży orzęska. Jednokomórkowce zaczęły poruszać się w kółko.

Zdaniem badaczy sugeruje to, że mikrotubule działają jak rodzaj mechanicznej maszyny obliczeniowej, tzw. automat skończony. Takimi automatami, które wykonują sekwencje czynności, są na przykład windy czy automaty do sprzedaży napojów.

– Nasze dane wskazują, że mikrotubule są potrzebne do obliczeń potrzebnych do koordynacji ruchów odnóży. Najprostszym wytłumaczeniem jest to, że one są elementami obliczeniowymi. Czy to udowodniliśmy? Nie – mówi Marshall.

– To solidna praca naukowa – mówi Robert Blick z Uniwersytetu Hamburskiego, który zajmuje się projektowaniem mikroskopijnych mechanicznych maszyn – nanokomputerów. Dodaje, że mechanika jest w biologii niedoceniana. Żeby jednoznacznie stwierdzić, że to mikrotubule wykonują obliczenia i działają jak automat skończony, potrzeba więcej dowodów. Ale jeśli tak się stanie, będzie to przełom – dodaje Blick.

Czy mechaniczne komputery są w każdej komórce?

Wiele jednokomórkowych organizmów przejawia bardzo złożone zachowania. Niektóre nawet są w stanie wypatrzeć ofiarę jednym receptorem i wystrzelić w nią coś w rodzaju harpuna. Ale jak to jest możliwe bez posiadania układu nerwowego, nadal pozostaje zagadką – mówi Wallace. Dodaje, że jeśli można stworzyć prostą maszynę obliczeniową z mikrotubul, można ich poszukać także w innych rodzajach komórek.

Badacze porównują Euplotes do mechanicznych, poruszających się rzeźb tworzonych przez Theo Jansena. Jansen, który z wykształcenia jest fizykiem, tworzy swoje mechaniczne rzeźby z cienkich, plastikowych rurek. Konstrukcje z nich zbudowane poruszają się napędzane siłą wiatru.
Artysta, który testuje je na holenderskich plażach, nazwał je Strandbeest, czyli „plażowe stworzenia”. – Pokazują one, jak za pomocą prostych mechanicznych połączeń można osiągnąć złożone ruchy – mówi Wallace.

Źródła: New Scientist, BioRxiv.