Коллективное сознание: как выживают существа без мозга

На Земле уже миллионы лет существует коллективный разум, но это вовсе не разум Homo sapiens. Он умеет решать математические задачи, строить карты и состоит из тысяч крошечных существ без мозга — слизевиков. Кто они такие?

Одиночки и команда

Что собой представляют слизевики, или миксомицеты, никто толком не знает. Понятно лишь, что это простейшие, немного напоминающие грибы. Одиночный слизевик — похожая на амебу клетка — неспешно перемещается и питается бактериями. Когда еды мало, множество «амеб» сползаются вместе, формируя довольно большие структуры самой разной формы. Такие псевдомногоклеточные образования называют плазмодиями, и они включают десятки тысяч миксомицетов.

Став плазмодием, слизевик начинает вести себя как разумный организм: определяет, в какой стороне еда, вытягивает отростки или движется в ее сторону. Если в месте, где образовался плазмодий, слишком светло, уползает куда-нибудьв темноту. Слизевики выделяют белок миксомиозин, похожий на тот, что обеспечивает сокращение мышц. Миксомиозин изменяет вязкость внутриклеточного содержимого, причем неоднородно: содержимое клеток в «носовой» части плазмодия становится более жидким, а в «хвостовой» густеет и сжимается, подтягивая клетки вперед. Как множество клеток перемещаются слаженно и координируют выделение миксомиозина, пока загадка.

«Амебы» D. discoideum формируют плазмодий

Плазмодий находит еду, даже в лабиринте: как робот-терминатор, он целенаправленно ползет по коридорам, добираясь до любимых овсяных хлопьев в самых укромных закутках. Слизевик в форме плазмодия «помнит», в каких ответвлениях лабиринта еды не оказалось, и никогда не проверяет их повторно. Отыскивать пищу слизевикам помогает хеморецепция — способность улавливать запахи. Она же лежит в основе «запоминания»: изучая пустой коридор, слизевики оставляют химический след и, почувствовав его снова, избегают этого места. Если в лабиринт, где уже побывал один плазмодий, запустить второго, на поиски хлопьев он потратит гораздо больше времени, так как будет путаться в химических сигналах предшественника.

Ученики и учителя

Ради большой цели слизевики учатся выполнять даже крайне неприятные вещи — навык, доступный не всем людям. Ученые из Тулузского университета заставляли голодных слизевиков проползать через мостик, посыпанный кофе или солью. Обе субстанции не вызывают у плазмодиев восторга, и они избегают их. Но с каждым новым экспериментом все больше слизевиков преодолевало мостик, оценив, что плюсы обеда перевешивают минусы встречи с неприятными веществами.

Более того, если к «необразованному» слизевику добавить плазмодий, который уже познакомился с кофейными мостиками, два организма сольются и образовавшийся «сверхразум» без дополнительного обучения будет бесстрашно проползать по соли и кофе к еде. Если разделить клетки первого и второго слизевиков, плазмодий, никогда не «запоминавший», что не нужно бояться соли, будет вести себя, будто проходил мастер-класс. Исследователи не понимают, как слизевики передают знания, но, вероятно, в этом участвуют вещества, похожие на нейромедиаторы.

Споры и разбрасывающие их нити — капиллиций: при высокой влажности они «раскручиваются» и выталкивают споры

Украсть у природы

Инженеры пытаются скопировать «коллективный разум» живых существ с середины 1980-х годов. Глобальная цель — создать модульного робота-трансформера из множества относительно простых блоков, способных менять свое положение. При сравнимой эффективности такой робот будет способен решать самые разноплановые задачи по требованию создателей: для этого составляющим его блокам нужно лишь выстроиться в другом порядке. Практический потенциал сегодня есть примерно у 30 проектов. Например, у разработанного в Массачусетском технологическом институте робота ChainFORM, который может принимать форму змеи и проползать в узкие места или же формировать четыре «ноги», чтобы переносить грузы. Но пока все модульные роботы уступают насекомым или слизевикам: составляющие их блоки не полностью автономны, а сам робот нуждается в едином центре принятия решений.

Смельчаки и сумасброды

Коллективный разум слизевиков склонен к риску и иррациональности. Биологи из Сиднейского университета предлагали слизевикам чуть-чуть хлопьев в темном закутке или горсточки побольше, но на свету. Плазмодии уползают из освещенного места, но в этом опыте 50% выбрали более калорийный обед, то есть пошли на риск.

Когда ученые добавили явно проигрышный третий вариант — разложенные в темном месте отдельные хлопья, слизевики проигнорировали его. Но их поведение в отношении двух других вариантов поменялось: 80% плазмодиев ползли к менее сытной еде, но в темноту, а терпеть свет ради калорий согласились всего 20%. Это иррациональное решение: третий вариант не изменил привлекательности остальных. Однако люди в сходных условиях поступают так же, ориентируясь не на абсолютную, а на относительную ценность объекта. Видимо, иррациональность — свойство любого разума, даже коллективного.

Слизевики часто растут на стволах деревьев

Метеозависимость

Триггером к «переключению» слизевика с одной жизненной формы на другую служат изменения окружающей среды. Когда почва влажная, а еды много, миксомицеты существуют как отдельные «амебы». Если условия ухудшаются, клетки образуют плазмодий. На нем формируется спорофор, внутри которого созревают споры. Они разбрасываются далеко от неблагополучного места, и выходящие из них клетки могут начать жизнь «с чистого листа». Если условия, в которых живут «амебы», совсем плохие, они переходят к половому размножению: получившаяся в итоге «амеба» с «перестроенным» геномом может оказаться более приспособленной.

Герои и трусы

Псевдоорганизм слизевиков приобретает не только разум, но и иммунную систему. Миксомицеты очень страдают от бактерий-паразитов, и в плазмодии часть клеток добровольно берут на себя функции полицейских, причем в случае слизевиков эта «работа» смертельна. «Иммунные» клетки перемещаются внутри плазмодия, выискивая «преступников». Обнаружив бактерию, «полицейский» поглощает ее и отсоединяется от плазмодия. Вне организма отважные «амебы» погибают от инфекции, которую сами же и подхватили, или от голода.

Составляющие псевдоорганизм клетки жертвуют собой и ради того, чтобы плазмодий мог размножаться. Споры, из которых выходят новые «амебы», формируются на концах особых стебельков: так они дальше разлетятся. Клетки, составляющие стебельки, обречены погибнуть. Но класть себя на алтарь продолжения рода хотят не все, и, когда стебелек начинает образовываться, эгоистичные «амебы» расталкивают других, стремясь очутиться на его вершине.

Фермеры и воины

Хитрые слизевики не только убивают и пожирают бактерий: они приспособили их для выращивания еды. Поймав колонию микроорганизмов, миксомицеты оставляют часть бактерий, не давая сбежать и позволяя размножаться. Такие мини-фермы обеспечивают миксомицетам постоянный источник пищи. Слизевики помещают бактерий и в споры, делая ценный подарок потомкам.

Зато к сородичам слизевики безжалостны. Если «амеба» Dictyostelium caveatum проникнет внутрь плазмодия вида Dictyostelium discoideum, она выделяет смертельный для врага яд и за двое суток выедает его изнутри. Питательные вещества, полученные от поверженного противника, клетка-победитель использует, чтобы вместе с «товарищами» образовать собственный плазмодий.

Крошечное членистоногое ногохвостка в «лесу» из плазмодиев

Торжество ограничений

«Разумные» сверхорганизмы, состоящие из тысяч относительно простых существ, в живой природе не редкость. Отдельная особь не знает, каковы глобальные цели: она выполняет строго определенные задачи, реагируя лишь на непосредственные стимулы в ближайшем окружении.

Муравьи

Насекомые выполняют сложные операции вроде прокладывания «шоссе» к источникам пищи, ориентируясь на химический след предшественников. Каждый новый муравей также «следит», в итоге быстро формируется популярный маршрут.

Термиты

«Сверхорганизмы-колонии» конкурируют друг с другом за территорию. Итог таких войн — знаменитые ведьмины круги в Намибии. Насекомые выедают траву над термитником, но расти он может только до границ другой колонии. В итоге на земле образуется регулярный узор.

Осы

Сложное поведение в колониях ос зависит только от иерархии внутри нее. Если убрать всех альфа-особей, через несколько дней «анархии» вакантные места займут бывшие подчиненные и жизнь колонии войдет в норму.

Компьютеры и киборги

На основе слизевиков ученые даже создают киборгов. Биологи из Саутгемптонского университета сконструировали шестиногого робота, который движется, подчиняясь «приказам» миксомицетов, живущих в коробочке у него на спине. В «домике» слизевиков установили лампочки, которые включались и гасли синхронно с лампочками в комнате, где бегал робот. Датчики внутри коробочки фиксировали, как клетки убегали от луча, и этот сигнал передавался на ноги робота. Используя свет, можно сконструировать из миксомицетов биотранзисторы, пропускающие или тормозящие ток в зависимости от сигнала на входе. Ученые из Англии и Германии собрали из них компьютер, выполняющий элементарные логические операции.

Слизевик Physarum polycephalum — тот самый, что «рисовал» карты дорог Испании и Португалии

Миксомицеты не хуже суперкомпьютеров справляются с некоторыми типами сложных задач, например с поиском кратчайшего маршрута между несколькими точками. Слизевики, попробовав несколько вариантов, быстро отказываются от неудачных и всегда выбирают самый короткий путь. Исследователи из Института Восточной Англии взяли карту Пиренейского полуострова и поместили слизевиков в центры Испании и Португалии. В точках, находящихся на месте крупных городов, ученые положили овсяные хлопья, а озера и горы подсветили, чтобы слизевик избегал их. Стремясь добраться до еды, плазмодий выпустил отростки, и созданный ими узор в точности совпал с картой национальных дорог. Плазмодий в лаборатории Университета Хоккайдо так же воспроизвел железнодорожную сеть Токио.

* * *

Слизевики — живой пример того, что разум, или по крайней мере что-то очень на него похожее, может возникать различными путями. Разобравшись, какие механизмы управляют поведением миксомицетов, ученые, вероятно, сумеют создать новый тип искусственного интеллекта и заодно чуть больше понять, как же работает наш мозг.