Интеллект под микроскопом
Как думают микробы? Постараюсь объяснить простыми словами, как и обещал. Они воспринимают информацию снаружи клеточной мембраны с помощью рецептора и пропускают ее по внутреннему маршруту (информационному каналу) от рецептора (принимающего узла) к эффектору (реагирующему узлу). Каждый рецептор настроен на свой сигнал - определенный химический состав молекулы вещества, определенный электрический заряд частицы, определенную длину волны света и так далее. Рецепторов много и они разные. Некоторые реагируют только на один сигнал, некоторые - на несколько. Сигнал поступает на рецептор, рецептор активирует канал, сигнал проходит по каналу до эффектора, эффектор исполняет поступившую команду. Пока все просто.
Дальше начинается усложнение. Как формируется команда? Мы знаем, что микробы измеряют градиенту, например, изменение концентрации питательного вещества в окружающей среде в зависимости от времени. Те из них, кто умеет двигаться, реагируют движением. Их эффекторы в канале от рецептора сахара - это флагеллы - хвостики, способные вращаться строго в двух направлениях: по и против часовой стрелки. Прилепилась молекула сахара к рецептору и флагелла крутится против часовой стрелки, толкая бактерию вперед. Не важно, куда, главное, вперед. Рецепторы сахара за время рывка перезаряжаются и проводят новый замер в точке прибытия. Если концентрация сахара выросла, проходит команда флагелле грести опять вперед. Чем больше рост концентрации, тем дольше будет рывок.
Если концентрация сахара не выросла или упала, флагелла получает команду вращаться по часовой стрелке. В этом случае бактерия начинает дергаться вокруг своей оси как стрелка компаса. Амплитуда дрожания в основном укладывается в сектор поблизости от направления предыдущего рывка, но случаются и повороты на 180 градусов и больше. Новое направление движения определяется тем, куда смотрит нос бактерии в момент прекращения дрожания. Так получается “предвзятая случайная прогулка” - форма хаотического поведения системы, где “предвзятость” определяется временными интервалами, в течение которых происходят рывок или дрожание. А интервалы, в свою очередь, крутизной уклона градиенты.
Для такого прекрасно описанного и постоянно наблюдаемого учеными поведения бактерия должна, как минимум, запоминать последнее показание рецепторов и уметь считать разницу между предыдущим и текущим показаниями. Наиболее устоявшаяся гипотеза о том, как она это делает, заключается в том, что бактерия использует РНК как устройство для записи информации на своей ДНК путем изменения экспрессии (настройки вкл/выкл) отдельных генов. Несколько генов последовательно включаются и выключаются обеспечивая сохранение оперативных данных и выполнение простых вычислений больше/меньше между ними. Но пока это - только гипотеза, хотя она и подтверждается экспериментально и в компьютерных моделях.
Топология (принципиальная схема) канала прохождения сигнала включает теперь кроме рецептора и эффектора еще блок памяти и процессор. Но в реальном мире бактерия очень редко имеет дело только с одним входящим сигналом. Как правило, их несколько. Если поступают одновременно сигналы нарастания концентрации питательных и вредных веществ бактерии надо выбирать, какой из каналов задействовать. И это - еще простой выбор. Сложнее, когда, например, есть питательное вещество, употребление которого защищает от отрицательного воздействия яда. Есть выбор между двумя питательными веществами - за каким из двух зайцев погнаться? Непросто жить бактерии.
Надо научиться предсказывать, что будет, а для этого мыслить ассоциативно. Хотя бы в пределах условных рефлексов, как у собаки Павлова. Нет проблем. Ученые установили, что, когда вызывающая у человека понос бактерия e-coli попадает в рот, ее тепловые рецепторы регистрируют повышение температуры и она переключается с аэробного на анаэробный способ дыхания еще до попадания в желудок, когда уровень кислорода в среде еще достаточен для аэробного дыхания. То есть, рецептор одного канала (теплового) включает эффектор другого канала (дыхательного). Так и выяснилось, что от одного рецептора может идти несколько каналов к разным эффекторам, а к одному эффектору ведет, соответственно, несколько каналов от разных рецепторов.
Как происходит выбор, какой канал задействовать в каждом конкретном случае, мы пока не знаем. Но уже есть первые теории и компьютерные модели, в которых роль переключателей играют молекулы РНК. Так в топологии нашего канала образуется коммутационный блок. Но это пока - гипотеза.
Любопытно, что похожая загадка стоит перед нейрофизиологами уже давно и они попытались решить ее с помощью введения понятий нейромедиатор и нейромодулятор. Химическое вещество - медиатор, мол, прикрепляясь к рецептору, активирует канал. А химическое вещество - модулятор - канал модулирует, выбирая подходящий маршрут между рецептором и эффектором. Загвоздка лишь в том, что многие нейромедиаторы, как дофамин, например, одновременно являются еще и нейромодуляторами. Принцип модуляции объясняется пока только на уровне гипотез, включая такие экстравагантные как квантовая запутанность.
Некоторые микробиологи для объяснения модуляции каналов используют принцип каузальной эквивалентности, когда все цепочки причин и следствий, ведущие к одному и тому же результату, считаются эквивалентными. Эквивалентные пути образуют каузальные группы или множества, в пределах которых и выстраиваются ассоциации типа “повышение температуры эквивалентно падению уровня кислорода”.
Это все прекрасно, но пока мы имеем дело только со стимулами, которые заведомо известны бактерии, и реакция на которые, какой бы сложной она не была, заранее прописана в генетической памяти бактерий. А как же с обучением? Оно происходит в пределах жизни одного одноклеточного существа или только на уровне эволюции путем закрепления благоприятных мутаций? Довольно долго микробиология придерживалась второго варианта ответа.
Теперь ситуация изменилась. И виной всему - суперскручивание ДНК бактерий. Это явление известно давно, но его роль в адаптации микробов к окружающей среде была мало изучена вплоть до появления супербактерий, которые научились адаптироваться к антибиотикам в рекордные даже для быстрой эволюции бактерий сроки. Некоторые микробы научились не просто игнорировать антибиотики, а еще и питаться ими. Уже некоторое время было известно что несколько видов бактерий питается пенициллином, но гром грянул, когда в самой большой в мире “чистой комнате” НАСА, где собирают аппараты, спускаемые на другие планеты, были обнаружены колонии бактерий, питающихся средствами дезинфекции этой комнаты.
Что же происходит? В обычной ситуации спираль ДНК бактерии находится в слегка расслабленном состоянии. С отдельными генами этой спирали взаимодействует РНК, когда по внутренним каналам коммуникации бактерии проходят сигналы. На спирали ДНК записывается память, производятся вычисления, осуществляется модуляция каналов. Спираль ДНК играет роль своего рода бортового компьютера микроорганизма. В момент шока - любого шока, источник которого может быть вообще неизвестен - который испытывает бактерия, спираль ее ДНК резко скручивается и предустановленные настройки бортового компьютера резко сбиваются. Причем, у каждого микроба по своему. Поэтому каждая бактерия реагирует на шок иначе, чем другие.
Выживают и продолжают делиться те бактерии, реакция которых обеспечила выживание, пусть даже на субоптимальном уровне. Они запоминают свою реакцию на уровне экспрессии генов и передают по наследству эпигенетически. Но это даже не главное. Среди разобщенных бактерий, подвергнутых неожиданной атаке неизвестным оружием выживают единицы. Иначе обстоит дело с микробами объединенными в биопленки с помощью механизма поиска кворума.
Кворум в биопленке обеспечивается за счет того, что эффекторы одних бактерий взаимодействуют с рецепторами других бактерий в сообществе по химическим и ионным каналам, осуществляя как передачу сигнала, так и модуляцию каналов. Благодаря кворуму, отдельные микробы учатся друг у друга в режиме реального времени и удачная индивидуальная реакция становится коллективной. Сигнал по сообществу бактерий распространяется гораздо медленнее, чем по мозгу человека, и, тем более, по компьютеру. Но представьте себе сеть из миллиарда простейших компьютеров, которые решают одну и ту же задачу не последовательно, а параллельно.
Такой бактериальный компьютер уже был создан лет десять назад. И с его помощью удалось решить задачу из класса задач, которые считались неразрешимыми с помощью вычислительной техники. Потенциал этого пути развития вычислительной техники еще не раскрыт и даже до конца не изучен, но выглядит он более чем впечатляющим. Возможно, и человеческий мозг больше походит на биопленку, чем на популярные ныне искусственные нейросети, когда-то придуманные на основе примитивного понимания принципов работы мозга и его топологии.
