Микробный интеллект
Микробный интеллект (известный как бактериальный интеллект ) — это интеллект, проявляемый микроорганизмами . Эта концепция охватывает сложное адаптивное поведение, демонстрируемое отдельными клетками , а также альтруистическое или кооперативное поведение в популяциях похожих или непохожих клеток, опосредованное химической передачей сигналов, которая вызывает физиологические или поведенческие изменения в клетках и влияет на структуры колоний. [1]
Сложные клетки, такие как простейшие или водоросли , демонстрируют замечательные способности к самоорганизации в изменяющихся обстоятельствах. [2] Строительство панциря амеб демонстрирует сложные навыки распознавания и манипулирования, которые, как обычно полагают, присущи только многоклеточным организмам.
Даже бактерии могут проявлять больше поведения в составе популяции. Такое поведение встречается в популяциях одного вида или в популяциях смешанных видов. Примерами являются колонии или рои миксобактерий , чувство кворума и биопленки . [1] [3]
Было высказано предположение, что бактериальная колония во многом имитирует биологическую нейронную сеть . Бактерии могут принимать входные данные в виде химических сигналов, обрабатывать их, а затем производить выходные химические вещества, чтобы сигнализировать другим бактериям в колонии.
Коммуникация и самоорганизация бактерий в контексте теории сетей были исследованы исследовательской группой Эшеля Бен-Якоба из Тель-Авивского университета , которая разработала фрактальную модель бактериальной колонии и определила языковые и социальные закономерности в жизненном цикле колонии. [4]
Примеры микробного интеллекта
[ редактировать ]Бактериальный
[ редактировать ]- Бактериальные биопленки могут возникать в результате коллективного поведения тысяч или миллионов клеток. [3]
- Биопленки, образованные Bacillus subtilis, могут использовать электрические сигналы (передачу ионов) для синхронизации роста, чтобы самые внутренние клетки биопленки не умирали от голода. [5]
- В условиях пищевого стресса колонии бактерий могут организовываться таким образом, чтобы максимизировать доступность питательных веществ.
- Бактерии реорганизуются под действием антибиотиков .
- Бактерии могут обмениваться генами (например, генами, кодирующими устойчивость к антибиотикам ) между членами колоний смешанных видов.
- Отдельные клетки миксобактерий координируют свои действия, образуя сложные структуры или двигаясь как социальные объекты. [3] Миксобактерии перемещаются и питаются совместно хищными группами, известными как стаи или волчьи стаи, с множеством форм передачи сигналов. [6] [7] и несколько полисахаридов играют важную роль. [8]
- Популяции бактерий используют чувство кворума , чтобы судить о своей плотности и соответствующим образом изменять свое поведение. Это происходит при образовании биопленок, инфекционных процессах и легких органах кальмаров-куцехвостов . [3]
- Чтобы любая бактерия проникла в клетку-хозяина, клетка должна иметь рецепторы, к которым бактерии могут прикрепляться и иметь возможность проникать в клетку. Некоторые штаммы E. coli способны внедряться в клетку хозяина даже без наличия специфических рецепторов, поскольку они приносят свой собственный рецептор, к которому затем прикрепляются и проникают в клетку.
- При ограничении питательных веществ некоторые бактерии превращаются в эндоспоры, чтобы противостоять теплу и обезвоживанию.
- Огромное количество микроорганизмов обладает способностью преодолевать распознавание иммунной системой, поскольку они меняют свои поверхностные антигены, так что любые защитные механизмы, направленные против ранее существовавших антигенов, теперь бесполезны в случае вновь экспрессируемых антигенов.
- В апреле 2020 года сообщалось, что коллективы бактерий обладают , основанной на мембранном потенциале формой рабочей памяти . Когда ученые освещали биопленку бактерий , оптические отпечатки сохранялись в течение нескольких часов после первоначального стимула, поскольку облученные светом клетки по-разному реагировали на колебания мембранных потенциалов из-за изменений в их калиевых каналах . [9] [10] [11]
Протисты
[ редактировать ]- Отдельные клетки клеточных слизевиков координируют свои действия, образуя сложные структуры или двигаясь как многоклеточные образования. [3] Биолог Джон Боннер отметил, что, хотя слизевики представляют собой «не более чем мешок амеб, заключенный в тонкую слизистую оболочку, им удается вести себя так же, как и животные, обладающие мышцами и нервами с ганглиями , то есть простые мозги». [12]
- Одноклеточная инфузория Stentor roeselii демонстрирует своего рода «поведенческую иерархию» и может «передумать», если ее реакция на раздражитель не ослабляет раздражитель, что подразумевает весьма умозрительное чувство «познания». [13] [14]
- Paramecium , особенно P. caudatum , способен научиться ассоциировать интенсивный свет со стимулами, такими как удары электрическим током в среде его плавания; хотя, похоже, он не может ассоциировать темноту с поражением электрическим током. [15]
- Простейшие инфузории Tetrahymena способны «запоминать» геометрию своей зоны плавания. Клетки, которые были разделены и заключены в каплю воды, после освобождения повторяли круговые траектории плавания. Это может быть результатом главным образом повышения внутриклеточного кальция. [16]
Приложения
[ редактировать ]Оптимизация бактериальных колоний
[ редактировать ]Оптимизация бактериальных колоний — это алгоритм, используемый в эволюционных вычислениях . Алгоритм основан на модели жизненного цикла, которая имитирует некоторые типичные поведения бактерий E. coli на протяжении всего их жизненного цикла, включая хемотаксис, коммуникацию, элиминацию, размножение и миграцию.
Вычисление слизевиков
[ редактировать ]Логические схемы можно построить с помощью слайм-форм. [17] В экспериментах с распределенными системами они использовались для аппроксимации графов автомагистралей. [18] Слизевик Physarum polycephalum способен решать задачу коммивояжера — комбинаторный тест с экспоненциально возрастающей сложностью — за линейное время . [19]
Экология почвы
[ редактировать ]Интеллект микробного сообщества обнаруживается в почвенных экосистемах в форме взаимодействующего адаптивного поведения и метаболизма. [20] По мнению Феррейры и др., «микробиота почвы обладает своей уникальной способностью восстанавливаться после изменений и адаптироваться к нынешнему состоянию [...] [Эта] способность восстанавливаться после изменений и адаптироваться к нынешнему состоянию посредством альтруистических, совместных действий». и сопутствующее поведение считается ключевым атрибутом интеллекта микробного сообщества». [21]
Многие бактерии со сложным поведением или координацией присутствуют в почве в виде биопленок. [1] Микрохищники, населяющие почву, в том числе социальные хищные бактерии, имеют важное значение для ее экологии. Биоразнообразие почвы, частично управляемое этими микрохищниками, имеет большое значение для круговорота углерода и функционирования экосистем. [22]
Сложное взаимодействие микробов в почве было предложено в качестве потенциального поглотителя углерода . Биоаугментация была предложена как метод повышения «интеллекта» микробных сообществ, то есть добавление геномов автотрофных , углеродофиксирующих или азотфиксирующих бактерий к их метагеному . [20]
См. также
[ редактировать ]- Коллективный разум
- Стигмергия
- Появление
- Микробное сотрудничество
- Роевой интеллект
- Синтетическая биология
- Самоорганизация
- Мультиагентная система
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б с Ренни Дж. (13 ноября 2017 г.). «Прекрасный интеллект бактерий и других микробов» . Журнал Кванта .
- ^ Форд, Брайан Дж. (2004). «Являются ли клетки гениальными?» (PDF) . Микроскоп . 52 (3/4): 135–144.
- ^ Перейти обратно: а б с д и Чимилески С., Колтер Р. (2017). Жизнь на грани зрения: фотографическое исследование мира микробов . Кембридж, Массачусетс: Издательство Гарвардского университета. ISBN 9780674975910 .
- ^ Коэн, Инон и др. (1999). «Непрерывные и дискретные модели сотрудничества в сложных бактериальных колониях» (PDF) . Фракталы . 7.03 (1999) (3): 235–247. arXiv : cond-mat/9807121 . дои : 10.1142/S0218348X99000244 . S2CID 15489293 . Архивировано из оригинала (PDF) 8 августа 2014 г. Проверено 25 декабря 2014 г.
- ^ Beagle SD, Lockless SW (ноябрь 2015 г.). «Микробиология: электрическая сигнализация становится бактериальной» . Природа . 527 (7576): 44–5. Бибкод : 2015Natur.527...44B . дои : 10.1038/nature15641 . ПМИД 26503058 .
- ^ Муньос-Дорадо Х, Маркос-Торрес Ф.Д., Гарсиа-Браво Э., Мораледа-Муньос А., Перес Х. (26 мая 2016 г.). «Миксобактерии: перемещение, убийство, питание и выживание вместе» . Границы микробиологии . 7 : 781. дои : 10.3389/fmicb.2016.00781 . ПМЦ 4880591 . ПМИД 27303375 .
- ^ Кайзер Д. (12 ноября 2013 г.). «Разумны ли миксобактерии?» . Границы микробиологии . 4 : 335. дои : 10.3389/fmicb.2013.00335 . ПМК 3824092 . ПМИД 24273536 .
- ^ Ислам С.Т., Вергара Альварес И., Саиди Ф., Джузеппи А., Виноградов Е., Шарма Г. и др. (июнь 2020 г.). «Модуляция бактериальной многоклеточности посредством пространственно-специфической секреции полисахаридов» . ПЛОС Биология . 18 (6): e3000728. дои : 10.1371/journal.pbio.3000728 . ПМК 7310880 . ПМИД 32516311 .
- ^ Эскаланте А. «Ученые только что приблизили нас на шаг к живому компьютеру» . Форбс . Проверено 18 мая 2020 г.
- ^ «Они помнят: у сообществ микробов обнаружена рабочая память» . физ.орг . Проверено 18 мая 2020 г.
- ^ Ян С.И., Бялецка-Форнал М., Уэтервакс С., Ларкин Дж.В., Приндл А., Лю Дж. и др. (май 2020 г.). «Кодирование памяти, основанной на мембранном потенциале, в микробном сообществе» . Клеточные системы . 10 (5): 417–423.e3. doi : 10.1016/j.cels.2020.04.002 . ПМЦ 7286314 . ПМИД 32343961 .
- ^ «Султан слизи»: биолог продолжает восхищаться организмами после почти 70 лет исследований» . Принстонский университет . Проверено 6 декабря 2019 г.
- ^ «Может ли одноклеточный организм «передумать»? Новое исследование говорит да» . физ.орг . Проверено 6 декабря 2019 г.
- ^ Тан НЕБО; Маршалл, ВФ (22 октября 2018 г.). «Клеточное обучение» . Современная биология . 28 (20): 1180–1184 р. Бибкод : 2018CBio...28R1180T . дои : 10.1016/j.cub.2018.09.015 . ПМЦ 9673188 . ПМИД 30352182 . S2CID 53031600 .
- ^ Алипур А., Дорваш М., Йеганех Ю., Хатам Г. (29 ноября 2017 г.). «Обучение парамеций: новые идеи и модификации» . bioRxiv : 225250. doi : 10.1101/225250 .
- ^ Кунита И., Ямагути Т., Теро А., Акияма М., Курода С., Накагаки Т. (май 2016 г.). «Инфузория запоминает геометрию плавательной арены» . Журнал Королевского общества, Интерфейс . 13 (118): 20160155. doi : 10.1098/rsif.2016.0155 . ПМЦ 4892268 . ПМИД 27226383 .
- ^ «Вычисления со слизью: логические схемы, построенные с использованием живых слизевиков» . ScienceDaily . Проверено 6 декабря 2019 г.
- ^ Адамацки А., Акл С., Алонсо-Санс Р., Ван Дессель В., Ибрагим З., Илачински А. и др. (01.06.2013). «Являются ли автомагистрали рациональными с точки зрения слизевика?». Международный журнал параллельных, новых и распределенных систем . 28 (3): 230–248. arXiv : 1203.2851 . дои : 10.1080/17445760.2012.685884 . ISSN 1744-5760 . S2CID 15534238 .
- ^ «Слизевик может решать экспоненциально сложные проблемы за линейное время | Биология, информатика | Sci-News.com» . Последние научные новости | Sci-News.com . Проверено 6 декабря 2019 г.
- ^ Перейти обратно: а б Агарвал Л., Куреши А., Калия В.К., Кэпли А., Пурохит Х.Дж., Сингх Р.Н. (25 мая 2014 г.). «Засушливая экосистема: будущий вариант поглотителей углерода с использованием интеллекта микробного сообщества» . Современная наука . 106 (10): 1357–1363. JSTOR 24102481 .
- ^ Феррейра К., Калантари З., Сальвати Л., Канфора Л., Замбон И., Уолш Р. (01.01.2019). «Глава 6: Городские территории» . Деградация, восстановление и управление почвами в контексте глобальных изменений . Достижения в области управления и защиты окружающей среды от химического загрязнения. Том. 4. с. 232. ИСБН 978-0-12-816415-0 . Проверено 05 января 2020 г.
- ^ Чжан Л., Людерс Т. (сентябрь 2017 г.). «Дифференциация ниш микрохищников между основной почвой и ризосферой сельскохозяйственной почвы зависит от бактериальной добычи» . ФЭМС Микробиология Экология . 93 (9). дои : 10.1093/femsec/fix103 . ПМИД 28922803 .
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- Бен-Джейкоб Э (1998). «Бактериальная мудрость, теорема Геделя и творческие геномные сети» .
- Форд Би Джей (2004). «Являются ли клетки гениальными?» (PDF) .
- Бен-Джейкоб Э. , Беккер И., Шапира Ю. (2004). «Бактериальная лингвистическая коммуникация и социальный интеллект» . Тенденции в микробиологии . 12 (8): 366–72. дои : 10.1016/j.tim.2004.06.006 . ПМИД 15276612 .
- Форд Би Джей (2006). «Раскрытие изобретательности живой клетки» (PDF) .
- Липсетт А. (2006). — Ты не такой умный, да? .
- Форд Би Джей (2010). «Тайный интеллект живой клетки» (PDF) .
- Форд Би Джей (2017). «Клеточный интеллект: микрофеноменология и реалии бытия» (PDF) .
