در جستجوی یک پاسخ: آیا تک سلولی‌ها می‌توانند تصمیم بگیرند؟

در سال ۱۹۰۶، هربرت اسپنسر جنینگر (Herbert Spencer Jennings)، جانورشناس، کتاب مشهورش با عنوان رفتار ارگانیزم‌های مرتبه پایین را منتشر کرد؛ کتابی که حاوی این ایده جنجال‌برانگیز بود: میکروب‌ها می‌توانند نظرشان را تغییر دهند.

سوژه او یک سلول تکی با نام استنتور (Stentor) بود که با موهای شلاقی خود طعمه‌هایش را به دام می‌انداخت. این شکارچیان ترومپت‌مانند آنقدر بزرگ هستند که ماهی‌ها می‌توانند آن‌ها را بخورند یا انسان‌ها می‌توانند ببینندشان، و به قدری بی‌پروا هستند که می‌توانند چرخان‌تباران (Rotifers) را – حیواناتی با صدها سلول و یک مغز – به دام اندازند و بخورند. در کهکشان میکروبیولوژیکی، استنتورها چیزی بین نابودگر ستاره و گودال سارلاک (عناصری در سری فیلم‌های جنگ‌های ستاره‌ای) هستند.

جنینگز تصمیم گرفت این سلول را تحریک کند و ببیند چه اتفاقی می‌افتد. وقتی استنتور با جریان آزاردهنده پودر کارمین روبرو شد، که به طور ماهرانه به سمت دهانش هدایت می‌شد، ابتدا با خم شدن خود را از جریان دور کرد، سپس جهت حرکت موهایش (که به آن‌ها مژک (Cilia) هم گفته می‌شود) را تغییر داد تا پودر را دور کند، بعد خود را منقبض کرد، و دست آخر مکان خود را تغییر داد.

او متوجه شد که ترتیب این رفتارها با محرک‌های متفاوت (او مواد شیمیایی دیگری را نیز امتحان کرد) تغییر می‌کند و بعضی از این مراحل گاهی اوقات نادیده گرفته می‌شوند. او می‌نویسد: «اما حقیقت همچنان این است که تحت شرایطی که به تدریج با فعالیت‌های معمولی ارگانیسم تداخل دارند، رفتار ارگانیسم شامل «امتحان» یکی پس از دیگری واکنش‌ها برای یافت واکنشی که او را رها می‌کند، است.»

به طور خلاصه، استنتورها می‌توانند با یک واکنش به مقابله با محرک بروند، و در صورت باقی ماندن آن محرک یک روش هزینه‌دارتر را انتخاب کنند. حداقل برای مدتی کوتاه (زمانی که جنینگز اقرار کرد تعیین آن به طور تجربی دشوار است و همچنان حل نشده باقی مانده)، سلول می‌تواند «به یاد داشته باشد» که یک راه حل را امتحان کرده و نتیجه‌ای نگرفته، و به سراغ راه حلی دیگر برود.

اما در سال ۱۹۶۷ دانشمندانی از یک مکتب دیگر مطالعه رفتار حیوانات آزمایش‌های جنینگز را تکرار کردند و موفق به تولید نتایج قبلی نشدند. در این شرایط بود که یافته‌های او راهی زباله‌دان شدند.

حدود ۱۰ سال قبل، جرمی گاناواردنا (Jeremy Gunawardena)، استادیار سیستم‌های بیولوژی در دانشکده پزشکی هاروارد، آزمایش جنینگز ماجرای دور انداخته شدن آن را کشف کرد و به این نتیجه رسید که این آزمایش شایسته‌ی بررسی مجدد است. در کمال شگفتی، او متوجه شد که تیم آزمایش سال ۱۹۶۷ از گونه درست استنتور استفاده نکرده‌اند (از آنجا که آن‌ها رفتارشناسانی بودند که باور داشتند تغییر رفتار از محیط ناشی می‌شود، نه از ژن‌ها، احتمالا احساس کرده بودند که گونه‌ها اهمیت چندانی ندارند).

گونه‌ای که آن‌ها انتخاب کرده بودند، استنتور کورولیوس (Stentor coeruleus)، قویا ترجیح می‌دهد شنا کند؛ بر خلاف گونه‌ای که جنینگز انتخاب کرده بود، استنتور روزلی (Stentor roeselii)، که ترجیح می‌دهد در کناره بدنه آبی ساکن بماند.

گاناواردنا شیفته قابلیت‌هایی از این تک سلولی شد که تکرار آزمایش آن‌ها را نمایان می‌کرد. بعد از سال‌ها مطرح کردن این ایده در جلسات آزمایشگاهی، او سرانجام جوزف دکستر (Joseph Dexter)، دانشجوی لیسانس، و سوداکاران پراباکاران (Sudhakaran Prabakaran)، پژوهشگر فوق دکتری، را یافت که مایل بودند این آزمایش را شب‌ها و آخر هفته امتحان کنند.

این بار تیم دانشگاه هاروارد موفق شدند گونه درست را در یک دریاچه گلف انگلیسی پیدا کنند، «دستگاه تحریک استنتور» مخصوص خود را بسازند (از آنجا که آن‌ها بیولوژیست‌های کمی بودند، مهارت عالی جنینگز در کار با پیپت‌های آزمایشگاهی را نداشتند)، و چیزی خارق‌العاده کشف کردند.

در ابتدا، استنتور آنطور که جنینگز توصیف کرده بود به پودر کارمین واکنش نشان نداد. هرچند، استنتور روزلی در مواجهه با رگبار میکروذره‌های پلاستیکی قرن بیست و یکمی، به طور سازگار با توصیف جنینگز رفتار کرد – و با یک روش قابل‌توجه که جنینگز در سال ۱۹۰۶ آن را مشاهده نکرده بود.

اگر استنتور واقعا می‌تواند «تصمیم بگیرد»، قطعا تصمیم‌گیری تنها شباهت مژک‌داران (Ciliates) – گروهی از میکروب‌ها که استنتور به آن تعلق دارد – با ما نیست. یک مژک‌دار مانند یک حیوان در مقیاس یک سلول بسیار بزرگ عمل می‌کند، و این شباهت حیرت‌آور است.

برای مثال، چیزی چسب‌مانند مژک‌های آن‌ها را به شکل ساختارهایی به اسم سیری (Cirri) در می‌آورد که سلول می‌تواند از آن‌ها به عنوان پا، دهان، باله یا دندان استفاده کند. یوپلوت‌ها (Euplotes)، مانند کک‌های آبی، روی سیری‌ها به دنبال غذا در جنب و جوش هستند. سیری‌ها از طریق نوروفیبریل‌هایی (Neurofibrils) اعصاب‌مانند به حرکت در می‌آیند. اگر این فیبریل‌ها بریده شوند، سیری از کار می‌افتد.

بعضی از مژک‌داران سیری‌هایی مانند دارت‌های ریز شکل می‌دهند که می‌توانند آن‌ها را به سمت طعمه پرتاب کنند، یا شکارچیان را دور نگه دارند، یا این که برای ساکن شدن از آن‌ها استفاده کنند.

بقیه شاخک‌هایی دارند که با آن‌ها غذا را گیر می‌اندازند. همانند ستاره‌های دریایی، مژک‌داران هم می‌توانند کل بدنشان را از تکه‌های بسیار کوچک خودشان بسازند، با این شرط که آن تکه حاوی پوشش مژه‌ای سلول و بخشی از هسته، قلب ژنتیکی سلول، باشد. بسیاری از مژک‌داران به طور معمولی و با دو تکه شدن تولید مثل می‌کنند، اما بعضی از مژک‌داران خزنده یا ساکن لاروهای گرد کوچکی را از راه یک مجرای تولد به محیط وارد می‌کنند.

یک مژک‌دار به نام دیپلودینیوم (Diplodinium) در شکمبه گاو و دیگر حیوانات سم‌دار زندگی می‌کند؛ محیط خاصی که به خاطر چیزهای عجیب درونش مشهور است، و احتمالا نیمی از آن‌ها از لحاظ جرمی مژک‌دار باشند (بار دیگر که یک گاو را در حال جویدن نشخوارش دیدید به این فکر کنید).

دیپلودینیوم نوروفیبریل، سیری، تارهای قابل انقباض ماهیچه‌مانند به نام مایونیم (Myoneme)، یک «استخوان‌پشت» ساخته شده از صفحات انباشته، یک دهان، یک مری که با کمک حلقه‌ای خارجی منقبض می‌شود، و یک مقعد دارد. اما به یاد داشته باشید: فقط یک سلول است.

به طور خلاصه، مژک‌داران بیولوژی یک سلول تکی را به آخرین حد ممکن رسانده‌اند. با چیزهایی که در بالا گفته شد، این که این سلول‌ها چیزی شبیه به سر داشته باشند چندان غیر قابل باور نخواهد بود.

در یک تحقیق جدید، که در سال ۲۰۱۹ در ژورنال Current Biology منتشر شده، دانشمندان کشف کردند که استنتور رفتارش را در واکنش به جریان ذرات تکراری تغییر می‌دهد، و ترتیب کارهایش نیز به طور کلی با توصیف جنینگز سازگار است. تغییر مکان همیشه بعد از انقباض می‌آمد، و تحلیل‌های ریاضیاتی نشان دادند که تغییر حرکت مژک‌ها یا خم شدن به احتمال زیاد قبل از انقباض رخ می‌دهد، نه بعد از آن.

چیز جالب دیگری نیز در داده‌های آن‌ها وجود دارد که من پیشنهاد می‌دهم خودتان نیز آن را بررسی کنید: مطمئنا به نظر می‌رسد استنتورها شخصیت‌های متفاوت داشته باشند. بعضی از آن‌ها خود را دائم منقبض و شل می‌کردند، یا خم می‌شدند، منقبض می‌شدند، بعد خود را شل می‌کردند، گویی که که تمایل داشته باشند محرک را تحمل کنند – یا در معرض خطر زندگی کنند. این‌ها سلول‌های خوشبین بودند.

بعضی از آن‌ها یک یا چند بار منقبض شدند و دیگر از آن حالت بیرون نیامدند. بقیه به سادگی منقبض شدند و تغییر مکان دادند. این‌ها سلول‌های بدبین بودند (یا شاید آن‌هایی که اخیرا یک «جاخالی» موفق داشتند).

بعضی از استنتورها همیشه با یک یا دو رفتار ترجیحی واکنش نشان می‌دادند، و هیچگاه رفتارهای دیگر را، با وجود این که از لحاظ بیولوژیکی قادر به انجام‌شان بودند، انتخاب نمی‌کردند. یکی از سلول‌های خستگی‌ناپذیر در مواجهه با ۱۳ جریان محرک تنها حرکت مژک‌هایش را تغییر می‌داد یا منقبض می‌شد و هیچگاه از خم شدن یا تغییر مکان استفاده نکرد.

آیا یک استنتور‌ چیزی مثل عاملیت (Agency) – ظرفیت تصمیم‌گیری – دارد؟ این تحقیق و شواهد جنینگز قطعا چنین چیزی را پیشنهاد می‌دهند.

یک یافته‌ی نهایی و آزاردهنده نیز وجود دارد. تحلیل آماری این تیم تحقیقاتی نشان داد که انتخاب بین انقباض یا تغییر مکان با احتمال شیر یا خط آمدن یک سکه سازگار است. به عبارت دیگر، این انتخاب کاملا تصادفی به نظر می‌رسد.

فقط یک مشکل وجود دارد: هیچ مکانیزم سلولی شناخته‌شده‌ای قادر به تولید چنین نتیجه‌ای نیست. این معما هم غیر قابل پیش‌بینی و هم غیر قابل توضیح باقی می‌ماند.

شاید زمان آن فرا رسیده تا پیش‌فرض‌های خودمان را درباره این که سلول‌ها، چون فقط سلول هستند، چه کارهایی می‌توانند انجام دهند، و این که سلول‌های بدن ما در سیستمی شوروی‌مانند معادل زنبوران کارگر هستند، کنار بگذاریم. توانایی سلول‌های حیله‌گر، مسلح و آزاد می‌تواند کاملا فراتر از تصورات مبهم و ابتدایی ما باشد.