Во время пандемии COVID-19 кто-то увлёкся выпечкой, кто-то завёл собаку. А я решил выращивать и наблюдать за слизевиком. В квартире моего партнёра в Эдинбурге появились две культуры Physarum polycephalum — бесклеточного слизевика, неформально называемого «каплей».
Я начал серию экспериментов, пытаясь понять, сколько времени потребуется двум разделённым клеточным массам, полученным из одной разрезанной пополам клетки Physarum, чтобы перестать сливаться после повторного контакта. Часы превращались в дни, дни — в недели, и, в конце концов, из-за нехватки времени эксперимент пришлось прекратить через шесть недель. Но это было лишь начало. В течение следующего года (без ведома наших ничего не подозревающих соседей) я провёл ещё несколько подобных опытов. Хотя ни один из них не был опубликован, каждый поднимал новые философские вопросы, которые до сих пор формируют моё мышление. Один из главных: чему поведение слизевика может научить нас о природе биологической памяти?
Различия между P. polycephalum и человеком кажутся разительными, но именно этот организм способен многое рассказать нам о разных аспектах памяти. Хотя большинство людей считает, что воспоминания хранятся исключительно в мозге, некоторые философы (включая меня) утверждают, что память, наряду с другими когнитивными процессами, может выходить за пределы тела, включая взаимодействие с внешними структурами. Иначе говоря, часть наших мыслительных процессов может быть «замкнута» на окружающее пространство. Слизевик — интересный объект для изучения этой идеи, потому что у него нет ни мозга, ни нервной системы, а поведение всё равно демонстрирует следы памяти. Более того, в некоторых случаях знания, приобретённые одной особью, могут передаваться другой — даже через краткий физический контакт.
Physarum polycephalum — шарообразный организм из класса миксомицетов, или бесклеточных слизевиков. В отличие от клеточных слизевиков, которые представляют собой микроамёбы, объединяющиеся в многоклеточные структуры при голодании, Physarum — это одна гигантская клетка. Его жизненный цикл включает две вегетативные стадии: микроскопическую «амебофлагеллятную» и макроскопическую «плазмодиальную». Именно последняя, напоминающая ярко-жёлтое пятно краски с прожилками, стала объектом многочисленных исследований благодаря своему размеру (до 2 квадратных метров) и скорости движения — до 5 см в час.
Передвигается он за счёт ритмичных сокращений трубчатых вен, перекачивающих протоплазму по направлению к периферии. Это формирует отростки, напоминающие плоские жёлтые структуры вроде цветной капусты. На этой стадии Physarum активно питается микроорганизмами и разлагающимися веществами, процветая в тёмной влажной среде — под опавшей листвой, на гниющих пнях и брёвнах. Он избегает света и сухости, ползёт к источникам пищи, обволакивает их и продолжает путь.
Способность находить кратчайший путь в лабиринте сделала Physarum объектом внимания учёных.
До 1970-х годов Physarum ошибочно считался грибом из-за сходства в образовании спор. Видовое название polycephalum — «многоголовый» — отсылает к множеству спороносных структур, напоминающих миниатюрные головы. Однако электронная микроскопия и молекулярная филогенетика показали, что этот организм относится к амебозоям — группе простейших, ближе к амёбам, чем к грибам.
Научный интерес к слизевику расцвёл в 1970-х и 1980-х, но к концу XX века угас. Исключение составила Япония, где работа продолжилась. В 2000 году Тосиюки Накагаки показал, что Physarum может находить кратчайший путь в лабиринте: сначала он тянет отростки ко всем доступным источникам пищи, а затем «отключает» неэффективные, оставляя только самый короткий путь. Эта работа, опубликованная в Nature, возродила интерес к слизевику и привела к волне исследований по всему миру.
Французская исследовательница Одри Дюссутур, австралийские учёные Таня Латти, Мадлен Бикман и Крис Рид провели серию экспериментов, демонстрирующих, что Physarum способен адаптивно принимать решения, проходить лабиринты и даже вырабатывать привыкание — простейшую форму обучения. Вновь признанный модельным организмом, он стал объектом изучения в поведенческой биологии и даже рассматривается как биологический компьютер: он может выполнять вычисления и имитировать электронные компоненты.
Плазмодии Physarum, передвигаясь, оставляют за собой внеклеточные слизистые следы — неживую мукополисахаридную субстанцию. В естественной среде такие следы чаще всего встречаются в местах, где слизевик уже кормился, то есть там, где пища исчерпана. Возникает вопрос: служат ли эти слизистые следы простыми метками пройденного пути или выполняют функцию памяти?
Чтобы выяснить это, в 2012 году биолог Крис Рид с коллегами поставили оригинальный эксперимент. В первом, «чистом» варианте, чашку Петри покрыли агаром и поместили на неё высококонцентрированную каплю глюкозы — цель, к которой должен был двигаться слизевик, ориентируясь по создаваемому ею градиенту. На его пути учёные разместили сухую U-образную ацетатную ловушку. Поскольку слизевики не могут эффективно перемещаться по сухим поверхностям, им приходилось искать обходной путь.
Во втором, «покрытом» варианте условия были теми же, но вся поверхность агара была покрыта внеклеточной слизью — как будто этот участок уже был исследован Physarum. Учёные предположили, что если слизь действительно используется как память о ранее посещённых и, вероятно, бесплодных зонах, то организм в таком состоянии будет действовать менее эффективно. И именно это они и зафиксировали: слизевики в «покрытом» состоянии тратили в 10 раз больше времени на достижение цели. Таким образом, стало ясно: Physarum действительно использует слизь как внешний след памяти.
После получения степени доктора философии в Эдинбургском университете мы с моим научным руководителем решили проанализировать эти данные с точки зрения гипотезы расширенного познания (HEC), выдвинутой философами Энди Кларком и Дэвидом Чалмерсом в конце 1990-х. Суть HEC — в том, что когнитивные процессы не всегда ограничены мозгом: они могут охватывать тело и даже структуры окружающей среды. Так, смартфоны, записные книжки, бумага с вычислениями — всё это примеры вовлечённости внешнего мира в мыслительные процессы. Слизевик оказался особенно интересным объектом: ведь если даже он способен использовать внешнюю среду для хранения информации, то границы когнитивного процесса, возможно, куда шире, чем предполагалось.
Эксперимент Рида показал: память может существовать в среде и быть активно использована организмом для адаптивного поведения. Обычно биологическая память ассоциируется с внутренними изменениями, основанными на опыте. Но поведение Physarum, ориентирующегося с помощью оставленной им же слизи, указывает на форму пространственной памяти, охватывающей как организм, так и его окружение. Это — наглядная реализация идеи HEC.
Подобно тому как человек хранит данные в смартфоне, Physarum оставляет память о своём прошлом в виде слизи.
В 2013 году Рид с коллегами провёл ещё один эксперимент, подтвердивший, что избегание слизи — не просто автоматическая реакция. На этот раз слизевик оказался в Y-образном лабиринте. Между ним и источником пищи находилась слизь, однако еда была особенно питательной — желток. И Physarum преодолел слизь, проигнорировав её. Это показало, что память может быть переопределена новой информацией: наличие ценного ресурса оказалось важнее старой «метки». Это свойство — способность изменять поведение в ответ на изменившиеся обстоятельства — отличает настоящую память от простой рефлекторной реакции. Переопределение слизистой памяти также указывает на наличие у организма когнитивной экономики — оценку выгод и затрат, интеграцию сигналов в принятие решений.
Иначе говоря, Physarum может адаптироваться, взвешивая, что важнее: избегать следов прошлого или добраться до питательной пищи. Это поведение — не простая реакция на стимул, а гибкая, функциональная стратегия.
Слизевик, таким образом, использует слизь так же, как мы используем электронные устройства — для хранения и извлечения информации. Конечно, память о числах и пространственная память — вещи разные, но принцип остаётся общим: Physarum использует внешний ресурс, чтобы действовать в будущем.
Более того, слизь может быть использована не только самим слизевиком, который её оставил, но и другим, генетически схожим. И тут возникает философский вопрос: чья это память? В привычном смысле — память формируется в результате обучения и принадлежит тому, кто обучался. Но в случае Physarum пользователь памяти и её «автор» могут не совпадать. Одно из решений — считать памятью лишь те следы, которые были использованы: без акта припоминания след остаётся нейтральной меткой. В случае же использования — это уже память, принадлежащая тому, кто её применяет. Вместе с нейрофилософом Джулианом Киверстейном мы назвали это явление «созданием памяти».
Что особенно интригует в памяти слизевика — это то, что она, по крайней мере в некоторых случаях, не требует обучения на основе собственного опыта. То есть след памяти может быть оставлен одной особью, а использован — другой, ранее с ним не сталкивавшейся. Это пример памяти без обучения, когда внешний след не формируется как результат индивидуального опыта.
Но Physarum демонстрирует память без обучения и другим способом — когда внутренний след памяти возникает у особи, которая сама не проходила обучение. Чтобы это объяснить, рассмотрим эксперимент биолога Ромена Буассо, который показал, что Physarum может привыкать к раздражающему стимулу — и затем передавать это привыкание другой клетке.
В 2016 году Буассо и его коллеги помещали плазмодий на один конец агарового мостика и клали между ним и пищей (желтком) небольшое количество хинина — вещества, неприятного для слизевика. Сначала организм избегал проходить по хинину, но при повторении начинал всё быстрее двигаться к источнику еды, игнорируя раздражитель. Это стало первым доказательством, что Physarum способен к привыканию — базовой форме обучения.
Но что ещё поразительнее — это то, что привычка может быть передана. В последующем исследовании (Фогель и Дюссутур, 2016) было показано, что наивная, ранее необученная клетка Physarum, после кратковременного слияния с обученной клеткой, наследовала привычку. Даже после того, как клетки разделили, наивная продолжала вести себя так, как будто сама прошла обучение: она быстрее преодолевала тот же самый мостик с солью, как и её «опытный» предшественник.
Другими словами, клетка приобрела память, не проходя обучение.
И снова встаёт вопрос: чья это память? Как и в случае со слизью, предлагается считать память принадлежащей тому, кто её использует, поскольку именно он демонстрирует поведение, основанное на этой информации. Если рассматривать память как биологическую черту, подверженную естественному отбору, то логично считать, что отбор действует на организм-пользователя, получающего преимущество.
Хотя в ряде случаев выгоды могут разделяться: например, если производитель слизи и пользователь позже сливаются в единую клетку, то первый также выигрывает от успешного поведения второго. В эволюционной перспективе это означает, что естественный отбор может способствовать развитию механизмов, облегчающих передачу памяти — например, через узнаваемые химические метки в слизи, полезные родственникам.
Что может научить нас слизевик о природе биологической памяти?
Первый вывод: пространственная память не обязательно ограничена организмом — она может быть распределена между телом и средой (как утверждает гипотеза расширенного познания).
Второй: память не обязательно формируется как результат индивидуального обучения. След может быть создан одним, а использован другим — и это всё ещё будет память.
Третий: обучение не обязательно для появления памяти. Память может быть передана или унаследована, даже без непосредственного опыта.
Эти наблюдения имеют параллели с человеческой практикой. Мы тоже пользуемся чужим знанием: читаем инструкции, смотрим карты, слушаем советы. Мы опираемся на опыт других, не переживая его сами. При этом часто действуем автоматически, не задумываясь — как в случае с недекларативной памятью. Это делает нас ближе к Physarum, чем может показаться.
Конечно, аналогию не стоит доводить до крайности: человеческое знание чаще всего оформлено в символической форме, а поведение слизевика — реакция на физическую среду. Но обе ситуации показывают: память может быть внешней и передаваемой, а не только внутренней и индивидуальной.
Эти идеи до сих пор спорны. В классической когнитивной науке память традиционно определяется как продукт индивидуального обучения, и основное объяснение остаётся нейронным: синаптическая пластичность, то есть изменение силы связей между нейронами. Эта модель исключает возможность внешних следов памяти.
Но новые открытия, такие как поведение Physarum, ставят под сомнение эту догму. Даже нестандартные теории, допускающие молекулярные механизмы памяти внутри мозга (например, гипотеза РНК-памяти), всё ещё исходят из строгого интернализма — идеи, что всё происходит внутри мозга.
Между тем гипотеза расширенного познания и концепция памяти без обучения — идеи не менее радикальные, чем само предположение, что безмозглый организм может чему-то научиться. А ведь именно это Physarum и демонстрирует.
Будь то лабораторный эксперимент или ночное наблюдение в квартире в Эдинбурге, Physarum polycephalum остаётся удивительным организмом — философским вызовом и научной загадкой. Его простое тело ставит сложные вопросы: о том, что такое память, как она формируется, кому она принадлежит — и где заканчивается познание.
Оригинал: Aeon
