单细胞生物使用内部计算机行走

大多数动物需要大脑才能奔跑、跳跃或跳跃。然而，加州大学旧金山分校的研究人员于2022年9月22日在《当代生物学》杂志上报告说，单细胞原生动物Euploteseurystomus使用简单的机械计算机来协调其微观腿，从而实现了快速行走。

Euplotes有14个腿状附属物，每个附属物由一束束毛状纤毛组成。研究人员首次表明，这些纤毛之间的内部连接控制着它们的运动，让腿只以特定的模式和顺序移动。当这些内部连接被破坏时，水生生物的运动就会变得不那么高效——通常会导致细胞转圈而不是排成一行。

“Euplotes使用这些连接来促进精细的步行运动，但我怀疑当我们深入研究这一点时，我们会发现其他细胞使用类似形式的计算来控制更微妙的过程，”WallaceMarshall博士说。，主要研究作者，加州大学旧金山分校生物化学和生物物理学教授。

一般来说，水生单细胞生物没有腿，也不会走路——它们会滚动、游泳或滑行。所以当UCSF博士后研究员BenLarson,Ph.D.发现Euplotes在他的显微镜下四处乱窜，他起初以为他在看昆虫状的动物。当他意识到这些生物是单细胞的时，他对它们如何在没有大脑或神经系统的情况下协调它们的14个附属物产生了兴趣。

为了理解这种不寻常的能力，拉尔森和马歇尔更详细地观察了Euplotes细胞，放慢了行走细胞的视频，每秒捕捉33帧，并标记每条腿以分析生物体的步态。

学分：当代生物学(2022)。DOI:10.1016/j.cub.2022.07.034

牢房不像人那样走路，腿明显交替，也不像奔马一样有节奏。但拉森和马歇尔发现附肢确实遵循某些模式。研究人员对32种不同的“步态状态”或腿部运动的组合进行了表征，然后表明某些步态状态更有可能跟随其他步态状态。

“这些动作似乎发生了这种顺序逻辑，”拉森说。“它们不是随机的，我们开始怀疑发生了某种信息处理。”

微管机

自1920年代以来，科学家们就知道长蛋白丝从其每个附属物投射到Euplotes中。由微管组成-细胞支架或细胞骨架的主要成分-这些细丝长期以来被认为在Euplotes中发挥结构作用。但是当拉尔森和马歇尔用药物破坏微管或用针切割它们时，Euplotes不再以同样的方式行走。它的动作变得更加随意和随意。

研究人员与计算机科学家合作，模拟细丝如何控制行走运动。他们一起得出结论，细丝上的张力和应变可以决定在任何给定时刻哪些步态状态是可能的。他们说，这种机器类似于Strandbeest——一种由荷兰艺术家设计的移动的动态雕塑，用于行走并对环境做出反应。

一只Euplotes在显微镜下行走，用它的“腿”。视频减慢了4倍，以使动作更清晰可见。学分：本·拉森/华莱士实验室

马歇尔说，虽然这种内部机械与今天的数字设备不同，但它确实遵循早期机械计算机使用的原理。

“事实上，Euplotes的附属物以非随机方式从一个状态移动到另一个状态，这意味着这个系统就像一台初级计算机，”他说。

研究人员承认，需要做更多的工作来准确了解微管细丝如何控制Euplotes行走。但他们的计算模型和实验提出了一种全新的机械方法，可以让细胞控制其内部状态。

“这本身就是一个非常迷人的生物学现象，但也可以突出其他类型细胞中更一般的计算过程，”拉森说。

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