曾经有一次，单细胞生命占据了地球的唯一统治权。在大约30亿年中，令人难以置信的单细胞生物世代彼此之间只能进食，生长和繁殖。它们演变成捕食者和猎物，在原始水域和土地上繁衍生息，并在地球上的每个生态位中形成了复杂而动态的生态系统。大约6亿年前，有些人甚至跨入了多细胞性的门槛。

然而，今天，单细胞生物已成为原始和简单等概念的同义词。然而，新的研究表明，他们的能力可能超出其远亲的表亲们的怀疑。

为了复制一个多世纪前进行的实验，哈佛医学院的系统生物学家现在提供了令人信服的证据，证实至少一种单细胞生物 —喇叭形的Stentor roeselii —表现出规避行为的层次结构。

这组作者说，这种生物反复受到相同刺激(在这种情况下是刺激性颗粒的脉冲)的作用，实际上可以“改变主意”如何应对，表明了相对复杂的决策过程的能力。

HMS Blavatnik研究所系统生物学副教授Jeremy Gunawardena说：“我们的发现表明，单细胞比我们通常认为的要复杂得多。”

研究人员说，这种复杂性具有进化意义。

他说：“像玫瑰氏链球菌这样的生物是多细胞生命之前的先天性掠食者，它们在许多不同的水生环境中极为普遍。” “他们必须“聪明”地弄清应该避免的东西，在哪里吃饭以及有机体必须生存的所有其他东西。我认为很明显，他们可以采取多种复杂的方式。

十年前，在英国生物学家丹尼斯·布雷(Dennis Bray)的一次演讲中，古纳瓦德纳(Gunawardena)被介绍给美国著名动物学家赫伯特·斯宾塞·詹宁斯(Herbert Spencer Jennings)的工作，他于1906年发表了有影响力的著作《低等生物的行为》。一个特别的实验引起了古纳瓦德纳的注意。

詹宁斯正在研究S. roeselii，这是一种广泛的淡水生物学家。这些单细胞以其相对较大的尺寸和独特的喇叭形体而著称。它们的表面和喇叭形的“钟形”衬有被称为纤毛的毛状突起，用于游泳并在周围的液体中产生涡旋，从而将食物扫入其“口”。在他们身体的另一端，他们​​分泌一种固持物，使它们附着在碎屑上，以在进食时保持静止。

詹宁斯用显微镜，移液器和平稳的手精心记录了胭脂红链球菌在暴露于胭脂粉形式的环境刺激物中时的行为。

詹宁斯观察到一系列有序的行为。他指出，通常情况下，罗氏葡萄球菌会反复弯曲身体，以避开粉末。如果刺激持续存在，它将逆转纤毛的运动，将颗粒从口腔中排出。如果这太失败了，它就会收缩，像藤壶撤退到其外壳中一样迅速将自己拉下它的固定器。最终，如果所有先前的努力都失败了，罗氏链球菌将摆脱困境并游走。

这些行为形成了等级制度，即有机体根据排名的偏好对行动进行的升级。该观察结果表明，它具有一些具有单个细胞核的单个细胞已知的最复杂的行为。

该实验引起了广泛的兴趣，但随后进行的复制实验(尤其是1967年发表的一项研究)没有成功。结果，詹宁斯的发现在很大程度上被现代科学所抹黑和遗忘。

Skunkworks项目

就像胭脂红粉放在原本可以完美居住的水坑中一样，这困扰了古纳瓦德纳，因此他追踪了1967年的研究。令他惊讶的是，他发现未能找到罗氏链球菌的作者使用了另一种物种来复制詹宁斯的实验-蓝鳍蛇(Stentor coeruleus)，它更喜欢游泳而不是依赖饲料。

因此，居纳瓦德纳想不到，他们未能再现结果也就不足为奇了。他对准确地复制詹宁斯的实验很着迷。但是，作为一名数学家，他受过训练，在医学院侧重于分子信息处理的实验室工作，因此很难说服他人。

他说：“我一直在实验室小组会议上提出这个想法，说它告诉了我们有关单电池功能的一些信息。我们不再以这种方式考虑电池的工作原理。” “而且，毫不奇怪，没有人对此感兴趣。这是古老的历史，是描述性生物学-所有年轻，聪明的受训者都不会碰到的东西。”

但是他坚持。他的一名博士后研究员Sudhakaran Prabakaran现在是英国剑桥大学的小组负责人，对此产生了兴趣。大约八年前，约瑟夫·德克斯特(Joseph Dexter)，一名本科生，后来成为古纳瓦德纳(Gunawardena)的博士学位。这个学生现在是达特茅斯的纽科姆计算科学研究所的研究员，他对此也很感兴趣。

这三人仅出于一种不可抑制的好奇心和历史感，没有任何正式的赠款支持，因此进行了长达数年的附带项目。

Gunawardena说：“这完全是书本上的臭鼬项目。” “这不是任何人的日常工作。”

德克斯特(Dexter)和普拉巴卡兰(Prabakaran)设计并进行了实验，他们的第一个挑战是找到罗氏酵母。他们到处狩猎，甚至在当地的池塘中搜寻。最终，他们在英国找到了一家供应商，该供应商从高尔夫球场的池塘中采购了这些生物，并将其运送到整个大西洋。

该团队建立了一个配备有视频显微镜和微定位系统的实验设备，以将刺激性物质准确地输送到他们的玫瑰色葡萄球菌测试对象的嘴附近。他们最初使用胭脂红粉，但反应不明显，经过反复试验，发现微观塑料珠是有效的。

潜伏在数学中

令他们高兴的是，这三个人成功地引发并再现了詹宁斯曾经描述的所有行为。

但是，他们没有看到詹宁斯记录的行为整齐有序的层次结构。相反，受试者之间似乎有很大的差异-一个标本可能在弯曲之前弯曲并改变其纤毛，但另一个可能仅反复收缩，而另一个可能交替弯曲和收缩。

因此，这三个人退回了他们作为定量生物学家的核心专业知识。他们开发了一种方法，可以将看到的不同行为编码为一系列符号，然后使用统计分析来查找模式。

在观察失败的地方，数学取得了胜利。分析显示，确实存在行为等级制度。当遇到刺激物时，玫瑰色葡萄球菌通常会同时弯曲和改变其纤毛，这在大多数情况下都是如此。如果刺激持续，它将收缩或分离并游走。后者的行为几乎总是发生在前者之后，并且有机体在未首先收缩的情况下永远不会分离，这表明它们的作用顺序是优先的。

“他们首先做简单的事情，但是如果您不断刺激，他们会'决定'尝试其他事情。罗氏菌没有大脑，但是似乎存在某种机制实际上使它'改变了主意'感觉这种刺激已经持续太久了，”古纳沃德娜说。

他说：“这种层次结构使生物体内发生了某种形式的相对复杂的决策计算，这很生动，可以权衡执行一种行为相对于执行另一种行为是否更好。”

公平抛硬币

研究小组希望成功复制詹宁斯的实验并阐明有关罗氏葡萄球菌行为能力的新的定量观察结果，希望该研究小组解决了有关其发现准确性的历史困惑。

但是现在的结果提出了许多新问题。

分析表明，任何玫瑰红葡萄球菌几乎都具有选择收缩或分离的机会，这对研究细胞如何在分子水平上处理信息的科学家特别有吸引力。这组作者说，两种行为之间的决定是一致的，每个生物都独立翻转无偏硬币，而不管先前采取的行动如何。

Gunawardena说：“这是在分子水平上以合理的抛硬币为基础的决定。” “我想不出任何已知的机制可以使他们实现这一目标。它令人着迷，并且詹宁斯从未观察到某些东西，因为我们需要定量测量才能揭示它。”

这组作者说，从更广泛的角度来看，单细胞可能具有复杂行为的发现可能会为生物学的其他领域提供信息。

Gunawardena说，例如，在发育生物学或癌症研究中，细胞通常经历的过程称为程序，这表明细胞已被“编程”以完成其工作。“但是细胞存在于一个非常复杂的生态系统中，它们以某种方式彼此交谈和谈判，对信号做出反应并做出决定。”

他继续说：“我认为这个实验迫使我们思考某些形式的细胞'认知'的存在，其中单个细胞能够进行复杂的信息处理和决策。” “所有生命都有相同的基础，我们的研究结果至少为我们提供了一个证据，说明了为什么我们应该扩大视野，将这种思维纳入现代生物学研究中。”

他补充说：“这也说明有时候，我们倾向于忽略事物的原因不是因为它们不存在，而是因为我们认为观察它们并不重要。” “我认为这就是使这项研究如此有趣的原因。”