لقد أثبت كائن حي وحيد الخلية قدرته على التعلم المعقد

لفترة طويلة، ناقش علماء الأحياء ما إذا كانت الكائنات وحيدة الخلية يمكنها التعلم من التجربة. أبسط شكل من أشكال التعلم، يسمى التعود، تم العثور عليه في بعض النباتات والأوالي والحيوانات. التعود هو عندما يتوقف الجسم عن الاستجابة لمحفز متكرر وغير ضار. مثال مجازي: يتوقف الشخص عن ملاحظة دقات الساعة، وتتوقف الأميبا عن الارتعاش من دفعة خفيفة. شكل آخر من أشكال التعلم أكثر تعقيدًا – وهو النقابي. ويحدث ذلك عندما يربط الجسم بين حدثين ويبدأ في الاستجابة لأحد المحفزات كنذير للآخر، أي أنه يفهم أن أحدهما سيتبع الآخر. المثال الأكثر شهرة وصفه عالم وظائف الأعضاء الروسي إيفان بافلوف. أثناء دراسة عملية الهضم لدى الكلاب، اكتشف أن الحيوانات يمكنها ربط إشارة محايدة (مثل صوت الجرس) بظهور الطعام. أصدر بافلوف الصوت مرارًا وتكرارًا قبل الرضاعة، وبمرور الوقت بدأ لعاب الحيوانات يسيل لعابه عند صوت واحد فقط، متفاعلًا معه كإشارة إلى المظهر الوشيك للطعام. أظهر العالم أن الكلاب يمكنها التعلم من خلال ربط المحفزات. لفترة طويلة، كان يُعتقد أن مثل هذا التفاعل المعقد يتطلب على الأقل نظامًا عصبيًا بدائيًا، لذلك من غير المرجح أن تكون الكائنات وحيدة الخلية قادرة على مثل هذا “التعلم”. قرر فريق من علماء الأحياء الأمريكيين بقيادة سام غيرشمان من جامعة هارفارد التحقق مما إذا كان زملاؤهم على حق حقًا وأن الكائنات وحيدة الخلية غير قادرة على التعلم الترابطي.

أجرى الباحثون تجربة على الهدبية Stentor coeruleus، التي تعيش في المسطحات المائية العذبة. الكائن له شكل يشبه الأنبوب، ولا يتجاوز طول جسمه المليمتر. في أحد طرفيه يوجد نوع من “المرساة” التي يتم من خلالها ربط المخلوق بالسطح. وعلى الجانب الآخر توجد أجزاء الفم، وهي بنية أنبوبية ذات أهداب تتحرك باستمرار. إنها تخلق تدفقًا للمياه إلى الأنبوب وتلتقط جزيئات الطعام التي تقوم الخلية بترشيحها وأكلها. لكن هذا الشاعرة لها جانب سلبي: إذا تم إزعاج Stentor coeruleus، يتم تشغيل منعكسها الوقائي. ألياف مقلصة خاصة، myonemes، تمتد على طول الخلية. إنه مثل نظام الكابل السريع. عند الطلب، يتم تقصيرها على الفور، وتنكمش الخلية بأكملها بحدة لتشكل كرة ضيقة. أجزاء الفم، التي كانت مفتوحة في نهاية “الأنبوب”، تتراجع وتغلق. توقف تصفية المياه. في حين أن الهدب في حالة مضغوطة، فإنه لا يستطيع التقاط الطعام ولا خلق تدفق للمياه. إنها حرفياً “تغلق المصاريع” وتختبئ. وفقًا لجرشمان، من المهم بالنسبة لـ Stentor coeruleus أن “لا يشعر بالنمل”. كل تخفيض غير مبرر هو إهدار للطاقة. تتفاعل الشركات العملاقة مع الخطر فقط عندما يكون ذلك ضروريًا حقًا. وهذا هو السبب في أن القدرة على التمييز بين التهديد الحقيقي والإنذار الكاذب تمنح Stentor coeruleus ميزة كبيرة للبقاء. وعندما يمر وقت طويل بين الصدمات، يكون لدى الخلايا الوقت الكافي “لنسيان” العلاقة بينها، ويكون “التعلم” أضعف. إذا جاءت الإشارات في كثير من الأحيان، لم يكن لدى الخلايا الوقت الكافي للتعافي من الصدمة السابقة، كما انخفضت الاستجابة أيضًا. أي أن سرعة وقوة رد الفعل تعتمد على الفواصل الزمنية: يؤثر تكرار تكرار الإشارات بشكل مباشر على مدى “تعلم” الهدب للتنبؤ بضربة قوية بعد ضربة ضعيفة / © Sam Gershman أجرى غيرشمان وزملاؤه تجربة وفقًا لجميع شرائع مدرسة بافلوفيان. في الجزء الأول، قام العلماء بتطبيق ضربات قوية على قاع أطباق بيتري بثقافات مكونة من عشرات الشركات العملاقة. تسببت الضربات الأولى في تقلص معظم Stentor coeruleus على الفور إلى كرة. وكان الضرب يتكرر كل 45 ثانية، وهو ما يعادل الوقت الذي تستغرقه الخلية حتى تستقيم مرة أخرى بعد انقباضها. في المجموع، نفذ الباحثون 60 ضربة من هذا القبيل. في البداية، انكمشت معظم الخلايا بشكل حاد، ولكن تدريجيا ضعف رد الفعل. لقد استجاب عدد أقل فأقل من الشركات العملاقة للإشارة، حيث اعتادوا على التحفيز. هكذا تجلى الإدمان الكلاسيكي. ثم كانت التجربة معقدة. أولاً، وجه الباحثون ضربة ضعيفة، وبعد ثانية بالضبط، ضربة قوية. تم تكرار مثل هذه الأزواج من الإشارات كل 45 ثانية. كان العلماء مهتمين: هل ستتعلم الشركات العملاقة الاستجابة لسلائف ضعيفة؟ خلال المحاولات العشر الأولى، سجل الباحثون عدد الخلايا التي تم ضغطها بضربة ضعيفة، قبل أن تصدر ضربة قوية. في البداية، زاد عدد الكائنات الحية التي تتفاعل مع هذه الضربة بشكل حاد. يبدو أن Stentor coeruleus يفهم: إذا كانت هناك طرقة خفيفة، فسوف يتبعها اهتزاز حقيقي في ثانية. ومع ذلك، مع تكرار الإشارات المقترنة، انخفض احتمال الانقباضات مرة أخرى: اعتادت الأهداب تدريجيًا عليها وتوقفت عن الاستجابة للضربة.

ساعد اختبار التحكم في التحقق من أن هذا لم يكن رد فعل عشوائيًا، ولكنه تعلم. أعطى العلماء فقط إشارة ضعيفة إلى الشركات العملاقة، دون ضربة قوية لاحقة. في هذه الحالة، لم تظهر الخلايا أي رد فعل، ولم تكن هناك أي تقلصات عمليًا. يثبت هذا الاختلاف الرئيسي أنه في الجزء الرئيسي من التجربة، لم تصبح الصدمة الضعيفة مجرد مهيجة للخلايا، بل تحذيرًا. ربطتها الشركات العملاقة بضربة قوية وشيكة، وارتعدت تحسبًا للخطر. عندما لم يكن هناك “تعزيز” (تم إعطاء إشارة ضعيفة واحدة)، تجاهلتها الخلايا، مؤكدة أنه في الحالة الأولى كان الاتصال الترابطي هو الذي نجح. بمعنى آخر، كان Stentor coeruleus قادرًا على إنشاء علاقة بين حدثين – وهذا هو الميل للتعلم الترابطي. واختبر علماء الأحياء أيضًا مدى تأثير الوقت بين الإشارات على “التعلم”. وتبين أن الفعالية تعتمد على الفترة الفاصلة بين التأثيرات الضعيفة والقوية.

وعندما يمر وقت طويل بين الصدمات، يكون لدى الخلايا الوقت الكافي “لنسيان” العلاقة بينها، ويكون “التعلم” أضعف. إذا جاءت الإشارات في كثير من الأحيان، لم يكن لدى الخلايا الوقت الكافي للتعافي من الصدمة السابقة، كما انخفضت الاستجابة أيضًا. أي أن سرعة وقوة رد الفعل تعتمد على الفواصل الزمنية: يؤثر تكرار تكرار الإشارات بشكل مباشر على مدى جودة “تعلم” الهدب للتنبؤ بضربة قوية بعد ضربة ضعيفة. إذا كانت الخلية قادرة على التعلم المعقد، فيجب أن يكون لديها ذاكرة مخزنة في مكان ما. كيف يعمل هذا بالضبط في Stentor coeruleus لا يزال لغزا. طرح غيرشمان فرضية: يوجد في الغشاء الهدبي مستقبلات تستجيب للمس. عندما يتم تحفيزها، تدخل أيونات الكالسيوم إلى الخلية، ويتغير التوتر الداخلي، وتنقبض الخلية. ومع تكرار الإشارات، تغير بعض المستقبلات عملها وتتحول إلى “مفتاح جزيئي”. ويمكنه حجب إشارة الإنذار إذا “قرر” النظام الكيميائي الحيوي الداخلي للخلية أن الخطر ليس حقيقيا. يشير اكتشاف علماء الأحياء في جامعة هارفارد إلى الأصول القديمة للتعلم الترابطي. اتضح أن أشكال السلوك المعقدة يمكن أن تظهر قبل فترة طويلة من تشكيل الكائنات متعددة الخلايا الأولى مع أساسيات الجهاز العصبي. يعتقد مؤلفو الدراسة أن النتائج التي توصلوا إليها ستفرض نظرة جديدة على عمل الدماغ البشري. ولعل الآليات الجزيئية القديمة الموروثة من أسلاف وحيدة الخلية لا تزال تعمل داخل الخلايا العصبية، مما يسمح لها “بالتعلم” من الإشارات الواردة حتى دون تغيير الروابط بين الخلايا – على مستوى العمليات الخلوية الأكثر بساطة التي بدأ العلماء للتو في فهمها. يتم عرض النتائج التي توصل إليها الباحثون على موقع علم الأحياء bioRxiv.