Nie ma mózgu ani neuronów, a mimo to potrafi znaleźć najkrótszą drogę do pokarmu, omijać miejsca, które już sprawdził, i przyzwyczajać się do powtarzających się bodźców. Śluzowiec Physarum polycephalum zmusza biologów do ponownego przemyślenia, czym właściwie są pamięć i uczenie

W 2000 roku Toshiyuki Nakagaki z Hokkaido University wraz z Hiroyasu Yamadą i Ágotą Tóth umieścili Physarum polycephalum w labiryncie. Początkowo śluzowiec rozrósł się w wielu korytarzach naraz. Kiedy naukowcy umieścili pokarm w dwóch punktach, zaczął wycofywać się z mniej korzystnych dróg. Ostatecznie pozostało połączenie biegnące najkrótszą trasą między źródłami pożywienia.

Nie było to jednak „rozwiązanie” labiryntu w ludzkim sensie. Śluzowiec nie ogląda układu korytarzy, nie tworzy jego obrazu i nie planuje drogi. Najpierw zajmuje dostępną przestrzeń, a później wzmacnia połączenia prowadzące w korzystnym kierunku i wycofuje się z pozostałych. Wynik przypomina rozwiązanie zadania przestrzennego, ale prowadzi do niego zupełnie inny mechanizm.

Physarum polycephalum należy do protistów. W fazie plazmodium tworzy jedną komórkę zawierającą wiele jąder. Jest widoczny gołym okiem i rozrasta się w postaci rozgałęzionej sieci rurek. W laboratorium może przemieszczać się z prędkością około 1 cm na godzinę.

Jak działa sieć bez mózgu

Wewnątrz śluzowca rytmicznie przepływa cytoplazma. Poszczególne części komórki kurczą się i rozluźniają, zmieniając kierunek oraz natężenie tego przepływu. Gdy jedna część organizmu natrafi na pokarm, zmienia się jej aktywność, a rurki prowadzące w tę stronę mogą się poszerzać. Te, które są słabiej wykorzystywane, stopniowo zanikają.

Cały układ przebudowuje się bez centralnego sterowania. Nie ma jednego miejsca, które zbierałoby sygnały z otoczenia i kierowało resztą organizmu. Poszczególne części komórki reagują na to, co dzieje się wokół nich, a zmiany te wpływają na przepływ cytoplazmy w całym ciele.

Dziesięć lat po doświadczeniu z labiryntem zespół Atsushiego Tero i Toshiyukiego Nakagakiego przeprowadził eksperyment, który stał się najbardziej znanym przykładem możliwości śluzowca. Naukowcy rozmieszczili źródła pokarmu tak, aby ich położenie odpowiadało Tokio i 35 miejscowościom w jego otoczeniu. Physarum rozpoczął wzrost w punkcie odpowiadającym centrum miasta.

Najpierw rozrósł się szeroko, zajmując znaczną część dostępnej powierzchni. Później ograniczał liczbę połączeń i pozostawiał głównie grubsze rurki biegnące między źródłami pokarmu. Badacze porównali powstały układ z rzeczywistą siecią kolejową aglomeracji tokijskiej.

Śluzowiec buduje sieć podobną do kolejowej

Nie chodziło wyłącznie o podobieństwo kształtu. Naukowcy analizowali długość połączeń, sprawność transportu oraz odporność sieci na przerwanie jednej z tras. Układy tworzone przez Physarum osiągały pod tymi względami wyniki zbliżone do infrastruktury zaprojektowanej przez ludzi.

Badacze wprowadzili też przeszkody odpowiadające elementom terenu. Wykorzystali światło, którego śluzowiec unika, aby zaznaczyć miejsca, przez które sieć nie powinna przebiegać. W takich warunkach układ jeszcze bardziej przypominał rzeczywiste połączenia kolejowe wokół Tokio.

Na podstawie zachowania śluzowca naukowcy stworzyli model matematyczny. Zasada była prosta: połączenia, przez które przepływa więcej cytoplazmy, są wzmacniane, a słabiej wykorzystywane zanikają. Taki mechanizm pozwala ograniczać całkowitą długość sieci, zachowywać krótkie trasy między jej punktami i utrzymywać połączenia zapasowe na wypadek uszkodzenia któregoś odcinka.

Śluzowiec nie „zaprojektował kolei w Tokio”. Badanie pokazało coś bardziej konkretnego: prosty mechanizm biologiczny może prowadzić do powstania sieci, która pod kilkoma mierzalnymi względami przypomina system stworzony przez inżynierów.

Ślad pozostawiony na podłożu pomaga znaleźć drogę

Jeszcze inny mechanizm opisali w 2012 roku Chris Reid, Tanya Latty, Audrey Dussutour i Madeleine Beekman. Physarum podczas przemieszczania się pozostawia za sobą warstwę śluzu zawierającego między innymi cukry i białka. Naukowcy sprawdzili, czy taki ślad pomaga mu rozpoznawać miejsca, które już odwiedził.

Śluzowiec częściej wybierał powierzchnie, na których nie było pozostawionego wcześniej śluzu. W jednym z doświadczeń musiał ominąć przeszkodę w kształcie litery U. Pokarm znajdował się po jej przeciwnej stronie. Bezpośrednie podążanie za jego chemicznym sygnałem prowadziło do ślepego zaułka. Aby dotrzeć do jedzenia, organizm musiał najpierw oddalić się od celu i obejść przeszkodę.

Ślad pozostawiony na wcześniej przeszukanym podłożu pomagał mu nie wracać w te same miejsca. Część informacji o przebytej drodze znajdowała się więc nie w samym ciele, lecz w otoczeniu.

Badacze nazwali ten mechanizm pamięcią zewnętrzną. Nie chodzi o pamięć w ludzkim znaczeniu, czyli przywoływanie wspomnień. Chodzi o coś prostszego: wcześniejsze doświadczenie zostawia ślad, który wpływa na późniejszy wybór trasy.

Śluzowiec może przyzwyczaić się do nieprzyjemnego bodźca

W 2016 roku Romain Boisseau, David Vogel i Audrey Dussutour sprawdzili, czy Physarum wykazuje habituację, czyli stopniowe osłabienie reakcji na powtarzający się, ale nieszkodliwy bodziec. To jedna z najprostszych form uczenia się, dobrze znana u zwierząt.

Badacze wykorzystali chininę i kofeinę, substancje odstraszające śluzowca. Eksperyment trwał dziewięć dni. W grupie poddawanej działaniu chininy znalazło się 140 organizmów, w grupie kofeinowej 70, a w kontrolnej 200.

Przez pierwszych pięć dni śluzowce musiały codziennie przejść po mostku z agaru, aby dostać się do pokarmu. W dwóch grupach do podłoża dodawano 4 milimole chininy na litr albo 1 milimol kofeiny na litr. Przy pierwszym kontakcie z tymi substancjami organizmy poruszały się wolniej i tworzyły węższe wypustki, ograniczając powierzchnię styku z nieprzyjemnym podłożem.

Z każdym kolejnym dniem reagowały słabiej. Po kilku powtórzeniach znacznie łatwiej pokonywały przeszkodę. Trzeba było jednak wykluczyć prostsze wyjaśnienie: że po prostu stały się mniej wrażliwe.

Dlatego organizmom przyzwyczajonym do chininy podano kofeinę, a tym przyzwyczajonym do kofeiny – chininę. Reakcja obronna wracała. Śluzowiec nie przestał więc reagować na nieprzyjemne substancje w ogóle. Zmienił odpowiedź na tę, z którą wcześniej wielokrotnie się stykał.

Po dwóch dniach przerwy badacze ponownie wystawili organizmy na działanie tych samych substancji. Silniejsza reakcja pojawiała się ponownie. Wynik spełniał podstawowe kryteria habituacji: odpowiedź słabła wraz z kolejnymi próbami, dotyczyła konkretnego bodźca i wracała po przerwie.

Czy jedna komórka potrafi przewidywać?

Jeszcze wcześniej, w 2008 roku, zespół Tetsu Saigusy i Toshiyukiego Nakagakiego zbadał reakcję Physarum na regularne zmiany temperatury i wilgotności. W zwykłych warunkach organizmy przebywały w temperaturze 26 st. C i wilgotności 90 proc. Co pewien czas naukowcy na 10 minut obniżali temperaturę do 23 st. C, a wilgotność do 60 proc. Śluzowce wtedy zwalniały.

Niekorzystne warunki pojawiały się trzy razy w równych odstępach. Badacze stosowali przerwy od 30 do 90 minut. Później przestawali zmieniać otoczenie. Mimo to część śluzowców zwalniała mniej więcej w chwili, w której wcześniej pojawiał się kolejny bodziec.

W doświadczeniach z odstępami wynoszącymi 60 minut około 30 proc. organizmów zwolniło później raz mimo braku kolejnej zmiany warunków, 20 proc. zrobiło to dwa razy, a 10 proc. – trzy razy. U 40 proc. nie zaobserwowano takiej reakcji. W całej serii doświadczeń podobne zachowanie pojawiało się u około 40–50 proc. badanych śluzowców.

Autorzy opisali ten wynik jako przewidywanie okresowego zdarzenia. Zaproponowali, że może za nie odpowiadać synchronizacja wielu procesów chemicznych zachodzących w komórce w różnych rytmach. Powtarzający się bodziec może na pewien czas je zsynchronizować, a ten układ utrzymuje się jeszcze po ustaniu zmian warunków.

Gdzie kończy się reakcja, a zaczyna uczenie?

Same doświadczenia dają dość precyzyjny obraz. Śluzowiec reaguje na bodźce, zmienia kierunek i tempo ruchu, korzysta ze śladów pozostawionych wcześniej na podłożu, przyzwyczaja się do powtarzających się substancji i tworzy sprawne sieci połączeń.

Spór zaczyna się przy nazwach. Czy te zjawiska należy określać jako pamięć, uczenie się, podejmowanie decyzji albo poznanie? Część badaczy uważa, że tak, pod warunkiem że każde z tych pojęć zostanie jasno zdefiniowane i odniesione do konkretnego, mierzalnego zachowania.

Alex Kacelnik z University of Oxford zwraca jednak uwagę, że skuteczna reakcja na warunki nie musi oznaczać procesu poznawczego podobnego do tego, który zachodzi u zwierząt. Dąb może na przykład zmieniać liczbę i wielkość wytwarzanych żołędzi zależnie od warunków, ale nazwanie tego „decyzją” nie wyjaśnia mechanizmu.

Physarum jest dobrym obiektem do tego sporu właśnie dlatego, że pozwala oddzielić to, co da się zmierzyć, od słów, których używamy do opisu. Wiemy, że jedna wielojądrowa komórka potrafi reagować na sygnały docierające z różnych części ciała i na tej podstawie zmieniać jego budowę oraz kierunek ruchu. Wiemy też, że wcześniejsze doświadczenie może wpływać na późniejszą reakcję.

Nadal nie wiadomo dokładnie, jak te informacje są zapisywane i wykorzystywane. Dlatego pytanie „czy śluzowiec myśli?” niewiele wyjaśnia. Znacznie ciekawsze jest inne: które mechanizmy pozwalające zwierzętom uczyć się, pamiętać i wybierać istniały już wcześniej, zanim w toku ewolucji pojawiły się neurony?

Źródła:

Nakagaki, Yamada, Tóth, „Maze-solving by an amoeboid organism”, „Nature”, 2000
https://www.nature.com/articles/35035159

Tero i in., „Rules for biologically inspired adaptive network design”, „Science”, 2010
https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/20093467/

Reid i in., „Slime mold uses an externalized spatial memory to navigate in complex environments”, „PNAS”, 2012
https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/23045640/

Boisseau, Vogel, Dussutour, „Habituation in non-neural organisms: evidence from slime moulds”, „Proceedings of the Royal Society B”, 2016
https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/27122563/

Saigusa i in., „Amoebae Anticipate Periodic Events”, „Physical Review Letters”, 2008
https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/18232821/

Reid, „Thoughts from the forest floor: a review of cognition in the slime mould Physarum polycephalum”, „Animal Cognition”, 2023
https://link.springer.com/article/10.1007/s10071-023-01782-1

Samanth Subramanian, „This is dangerous: slime moulds and the bitter debate over the nature of intelligence”, „The Guardian”, 2026
https://www.theguardian.com/news/ng-interactive/2026/sep/08/this-is-dangerous-slime-moulds-and-the-bitter-debate-over-the-nature-of-intelligence

• Nauki biologiczne i rolnicze