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人类对自己的大脑及其强大力量的痴迷是可以理解的。毕竟，还有多少其他物种发明了布洛芬、电热毯和欢乐时光？但也许，我们是时候深吸一口气，退后一步，问问细胞都能做什么事情。
我最近写了一篇文章，关于巨大的喇叭状单细胞捕食者喇叭虫如何能改变它的“想法”。但这不是第一次甚至第二次，自由生活的细胞显示出它们拥有类似认知的迹象。众所周知，天蓝喇叭虫（游泳喇叭虫）能够“习惯”被触摸；当你戳它足够长的时间后，它会很快停止收缩，它能记住在至少几个小时内不那么敏感。没人知道是怎么回事。
喇叭虫和另一种叫做草履虫的纤毛虫通过经验，改进它们从毛细管逃逸的时间（啮齿动物经典实验的微生物版本，称为“跑道”学习模式），尽管对于喇叭虫，只有在毛细管是垂直的情况下它们才会逃逸。
在20世纪中叶，科学家实际上已经对草履虫进行了多次巴甫洛夫犬的狗实验（也称为经典条件反射实验）。Beatrice Gelber于20世纪50年代独自在芝加哥大学做研究，她表明草履虫经过训练后，会将金属丝与粘着的美味细菌联系起来，即使后来没有细菌，它们仍然会聚集在金属丝上。在没有细菌的金属丝上接受训练的草履虫则不会。尽管最近的一项分析得出结论，她证实了结果，但当时她的实验结论受到了强烈批评，并且大多被驳回。
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在20世纪70 年代的另一个值得注意的例子中，曼凯托州立大学的科学家对草履虫进行了巴甫洛夫式的训练，他们将草履虫暴露于4秒时长的音频中，最后两秒伴随电击。经过两三个回合后，大约一半或更多的草履虫明显害怕电击枪，当只有音频时，它们依然会产生“回避反应”——向后猛缩和/或转身并重新开始游泳。
令人难以置信的是，它们至少能在24小时内一直记得这样做。如果音频没有继续伴随电击，它们也能停止回避反应，然后通过再次匹配点击来重新训练。如果这项研究是可信的，它们还可以以某种方式区分300和500赫兹的频率来决定是否开始逃跑。然而，使用电击或热等排斥刺激在纤毛虫上进行的其他条件实验，未能显示出相关性。可以公平地说，如果该案例没有局限于细胞和联想学习，那么该证据是非常具有启发性的。
另一个野生细胞学习的例子值得一提。在2008年发表的一项实验中，黏菌绒泡菌(一种单细胞巨型变形虫)学会了预测周期性喷出的寒冷干燥空气。经过三次有规律的定时喷气循环后，黏菌的反应就像是在期待适当的时间再次喷出气体一样，它会放慢速度，这是它对不受欢迎气体的常见反应。它不仅记得该气体，还可以分辨时间。
如果记忆力是存在的，那么所有这些明显的学习和决定行为的机制是什么？单细胞生物显然没有大脑或神经元，但它们有许多自然选择可以对其起作用的其他复杂结构和分子。就像我上次写的，像喇叭虫和草履虫这样的纤毛虫，这还是相当保守的观点。
仅仅因为其他生命的生理结构与我们的不同，并不意味着他们没有产生类似事物的硬件能力，也许它们有着与我们根本的和令人着迷的不同之处。如果目的相同，手段还重要吗？
但有一种更令人震惊的可能性正在被越来越多的各领域的博士团队所接受：动物和纤毛虫确实使用着相同的机制。
以雪貂为例。在一个经典条件反射的例子中，研究人员训练雪貂将一个信号与一个刺激相关联，该刺激会使雪貂在有规律的时间间隔眨眼，受训练的雪貂会在单独听到信号后的适当时刻眨眼。2014年，一项对负责定时眨眼的雪貂脑细胞的研究表明，单个细胞能够独自学习和预测同样的时间间隔。
其他实验还追踪了海蛞蝓类的海兔的鳃退缩反射的习性与个体细胞变化的关系。最近对海蛞蝓和啮齿动物的研究表明，某些记忆可以通过RNA和DNA在动物或世代之间转移。记忆也会在一种黏菌与另一种黏菌融合时转移。对各个层次生命的研究表明，单个细胞或非神经细胞网络能够形成记忆。显然，大脑和神经并不是记忆的决定因素。
尽管我们不能肯定自由生活的单细胞（如果它们确实可以形成记忆）使用了与脊椎动物相同的记忆方法，但它们似乎确实拥有相同的工具包。主要的硬盘驱动器“嫌疑对象”是DNA或蛋白质标记物。这个想法是，在记忆形成的过程中，甲基原子团等小化学物质可以被添加到DNA组蛋白（DNA上缠绕的蛋白质）或细胞中的其他蛋白质中，或被从中去除。
之后，这些物理标记物会通过物理手段改变其与工作酶的接触，或者与某些现存蛋白质的接触，这些蛋白质做或不做它们的工作，抑或做得更好或更坏，从而让基因有可能转变为蛋白质，进而记忆可能以这样的方式（有时是直接的，有时非常的复杂）形成。如果DNA或蛋白质可以看作硬盘驱动器的想法似乎有些夸张，但值得注意的是，单个蛋白质的能力可能远远超出我们的预期；至少最近的一份报告表明，单一蛋白质可能相当于果蝇中的可编程六分钟计时器。
化学标记物肯定也不是唯一的怀疑对象。可以想象，还有其他结构和作用机制（例如细胞骨架，细胞外基质、生物电，甚至简单的蛋白质聚集）可用于编码记忆。最近的一篇论文表明，管道大小的黏菌——就像构成有机体的肉眼可见的大型管道一样——可能是一个记忆库。任何给定生物的记忆形成都有可能依赖于几个系统。各种生命形式可能依赖于各种方法的特征组合。
或者，就像遗传密码一样，生物体内有一个或多或少的统一系统。1962年，Gelber写道：“简单地说，我们假设记忆印迹一定被编码在大分子物质中...... 有可能，编码新反应的生化和细胞生理过程在所有物种门类中都是连续的（就像遗传密码一样），因此对于原生动物和哺乳动物来说是记忆过程是相当相似的。”
早在20世纪初，Jennings也感觉到并相信，动物的行为活动往往是对单细胞生命中业已存在系统的阐述。我们的单细胞共同祖先中已经存在的学习和记忆系统，可以帮助我们解释最近的实验，这些实验表明植物也可以学习和记忆。
一个更大胆的问题出现了：是否有一个更高层面的系统来组织这些系统？计算生物学家Dennis Bray在其2009年出版的Wetware一书中推测，细胞具有蛋白质形式的神经元和互锁蛋白质级联形式的神经网络；连续的蛋白质碰撞改变了它们在神经网络中的目标（可能是其他蛋白质或者甚至是基因），以及通过生物线路或电路传递和处理信息的能力。细胞甚至可能有某种中央处理单元（他的书的副标题是“每个活细胞中的计算机”）。
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在动物体中，他认为该系统可能存在于中心体中，在这里，系统可以整合携带细胞内外环境信息的蛋白质运输的评估，并采取行动以产生类似决定的东西。而越来越多的证据似乎都表明，决策能力正是单细胞喇叭虫所拥有的。
当然，从证据来看，这其中的大部分我们还不清楚。在我写这篇文章的时候，生物学家隐约瞥见了细胞真实而惊人的复杂性(染色体外的DNA环和DNA中的暗物质只是另外两个例子)，并在海上的一艘船中兴奋地谈论着新发现的大陆的性
考虑到令人震惊的是(对我来说)，人们对巴甫洛夫条件反射如何在动物大脑中运作缺乏共识(这也让我觉得，自信地宣称自由意志是一种近乎鲁莽的幻觉)，我认为是时候让我们抛弃关于细胞有什么能力这个先入为主的概念，而不是抛弃意想不到的实验结果。Jennings和Gelber得到了差不多相同的待遇，因为针对他们的批评者已经决定他们的结果是不可能的。得益于分子革命，我们现在看到，也许他们的结果并没有那么牵强。
如果敏感植物真的可以学习，黏菌可以记忆，喇叭虫可以下决定，未来几年最令人兴奋的生物学前景之一，将是发现它们是如何做到的。我们可能会震惊地意识到，就像我们以前一样，它们与我们没有那么大的区别。
撰文：Jennifer Frazer是美国科学促进会科学新闻奖的获奖科学作家。
翻译：魏书豪
审校：郭晓
引进来源：科学美国人
本文来自：中国数字科技馆