粘菌は記憶するが、学習するのか？

粘菌は世界で最も奇妙な生物の一つです。長らく菌類と間違われてきましたが、現在ではアメーバの一種に分類されています。単細胞生物であるため、ニューロンも脳もありません。しかし、約10年にわたり、科学者たちは粘菌が環境を学習し、それに応じて行動を調整する能力を持っているかどうかについて議論してきました。

フランス国立科学研究センターの生物学者であり、トゥールーズにあるポール・サバティエ大学動物認知研究センターのチームリーダーでもあるオードリー・デュストゥール氏にとって、この議論は終結したと言える。彼女の研究チームは、粘菌に普段は避ける有害物質を無視するよう教え込んだだけでなく、生理学的に破綻した1年間の強制睡眠の後でも、粘菌がこの行動を記憶できることを実証した。しかし、これらの結果は、粘菌、そしておそらく脳を持たない他の様々な生物が、ある種の原始的な認知能力を発揮できることを証明するのだろうか？

粘菌は原生動物としては比較的研究しやすい。肉眼で確認できるほどの大きさの生物であり、操作や観察が容易である。900種以上の粘菌が存在し、通常は単細胞生物として生活するものの、餌が不足すると群れを成して餌を探し、繁殖する種もいる。一方、いわゆる原形質粘菌は、常に数千個の核を持つ巨大な一つの細胞として生活する。最も重要なのは、粘菌に新しい習性を教えることができることだ。粘菌の種類によっては、カフェイン、塩分、強い光を嫌うこともあるが、これらの印で囲まれた立ち入り禁止区域は見た目ほど危険ではないと学習する。この過程は馴化と呼ばれる。

「馴化の古典的な定義によれば、この原始的な単細胞生物は、脳を持つ動物と同じように学習していると言えます」と、オーストラリアのマッコーリー大学の行動生物学者クリス・リード氏は述べています。「粘菌にはニューロンがないため、学習プロセスのメカニズムは全く異なるはずです。しかし、結果と機能的意義は同じです。」

ダストゥール氏にとって、「このような生物が学習能力を持つという事実は、非神経系における学習の認識を超えた重要な意味を持つ」。彼女は、粘菌が科学者にとって、生命の樹形図において学習の最も初期の兆候がいつ、どこで進化したかを理解する助けになるかもしれないと考えている。

さらに興味深く、そしておそらく議論の余地があるのは、ドゥストゥールらの研究によると、粘菌は獲得した記憶を細胞から細胞へと伝達できることが示唆されていることだ、とボン大学の植物細胞生物学者フランティシェク・バルシュカ氏は述べた。「これは、動物、ヒト、植物といったはるかに大きな生物を理解する上で、非常に刺激的なことです。」

習慣化の歴史

原始的生物の行動に関する研究は、チャールズ・ダーウィンと息子のフランシス・ダーウィンが植物の根の先端（根尖と呼ばれる小さな領域）が脳の役割を果たす可能性があると提唱した1800年代後半にまで遡ります。影響力のある動物学者であり、初期の遺伝学者でもあったハーバート・スペンサー・ジェニングスも、1906年に出版された画期的な著書『下等生物の行動』の中で同様の主張を展開しました。

しかし、単細胞生物が何かを学習し、その記憶を細胞レベルで保持できるという考えは新しく、議論の余地がある。伝統的に、科学者は学習という現象を神経系の存在と直接結び付けてきた。ドゥストゥール氏によると、彼女の研究は「とんでもない時間の無駄で、行き詰まるだろう」と考える人も多かったという。

彼女は「粘菌の立場」に立って、粘液の塊を研究し始めたと語ります。粘菌が生き残り、繁栄するためには、環境について何を学ぶ必要があるのか​​を考えたのです。粘菌はゆっくりと這うため、乾燥しすぎたり、塩分や酸性度が高すぎたりする環境では、簡単に身動きが取れなくなってしまいます。ダストゥール氏は、粘菌が不快な環境に慣れることができるのではないかと考え、その慣れ能力をテストする方法を考案しました。

馴化は単なる適応ではなく、学習の最も単純な形態と考えられています。これは、生物が同じ状況に繰り返し遭遇したときにどのように反応するか、そして、重要ではないと認識した刺激をフィルタリングできるかどうかを指します。人間にとって、馴化の典型的な例は、服を着た直後に肌に触れる衣服の感覚に気づかなくなることです。同様に、多くの不快な匂いや背景の音にも気づかなくなります。特に、それらが変化せず、生存に重要でない場合はなおさらです。人間や他の動物にとって、この形態の学習は、刺激を検知・処理し、反応を媒介する神経系内のニューロンネットワークによって可能になります。しかし、ニューロンのない単細胞生物で馴化はどのように起こり得るのでしょうか？

2015年から、ダストゥール氏と研究チームは函館大学の同僚から粘菌のサンプルを入手し、その馴化能力を検証した。研究者たちは実験室に粘菌の断片を設置し、そのすぐ近くに、粘菌の大好物の一つであるオートミールを入れた皿を置いた。粘菌はオートミールに到達するために、カフェインかキニーネを混ぜたゼラチンの橋を渡らなければならなかった。これらは無害だが苦味のある化学物質で、粘菌はこれらを避けることが知られている。

「最初の実験では、粘菌は橋を渡るのに10時間かかり、本当に橋に触れないようにしていました」とダストゥール氏は述べた。2日後、粘菌は苦味物質を無視し始め、6日後には各グループとも忌避剤への反応を止めた。

粘菌が学習した馴化は、その物質に特異的なものでした。カフェインに慣れた粘菌は、キニーネを含む橋を渡ることに依然として抵抗を示し、その逆も同様でした。これは、粘菌が特定の刺激を認識し、それに応じて反応を調整し、無差別に橋を渡らないように学習したことを示しています。

最後に、研究者たちは粘菌をキニーネにもカフェインにもさらされない状況で2日間休ませ、その後再び有害な橋を渡して実験を行った。「粘菌が回復し、再び回避行動を示したことが分かりました」とダストゥール氏は述べた。粘菌は元の行動に戻っていたのだ。

もちろん、生物は必ずしも学習を必要としない方法で環境の変化に適応することができます。しかし、ダストゥール氏の研究は、粘菌が経験だけ​​でなく、ある種のコミュニケーションを通じてこれらの行動を習得する場合があることを示しています。その後の研究で、彼女のチームは、「ナイーブ」で慣れていない粘菌が、細胞融合を介して慣れた粘菌から直接学習行動を獲得できることを示しました。

複雑な多細胞生物とは異なり、粘菌は複数の断片に切断することができます。それらを再び組み合わせると、融合して巨大な一つの粘菌になります。断片同士が繋がる際に、高速で流れる細胞質で満たされた静脈のような管が形成されます。ダストゥール氏は粘菌を4,000個以上の断片に切断し、その半分を塩で訓練しました。塩も粘菌が嫌う物質ですが、キニーネやカフェインほどではありません。研究チームは、塩に慣れた粘菌と慣れていない粘菌を混ぜ合わせ、様々な組み合わせで断片を融合させました。そして、新しい生物を試験しました。

「私たちが形成していた生物の中に、慣れた粘菌が一つだけいると、その生物は慣れを示すことを示しました」と彼女は述べた。「つまり、一つの粘菌がこの慣れた反応を他の粘菌に伝えるのです。」研究者たちはその後、細胞質の脈がすべて適切に形成されるのに要した時間である3時間後に、異なる粘菌を再び分離したが、どちらの部分も依然として慣れを示していた。生物は学習していたのだ。

原始的認知のヒント

しかし、ドゥストゥール氏はさらに研究を進め、その慣れの記憶が長期的に呼び起こされるかどうかを調べたいと考えました。そこで彼女とチームは、制御された方法でブロブを乾燥させ、1年間眠らせました。3月にブロブを目覚めさせると、塩に囲まれていました。慣れていない粘菌は、おそらく浸透圧ショックで死にました。細胞から水分が急速に漏れ出すのに耐えられなかったのでしょう。「このようにして多くの粘菌を失いました」とドゥストゥール氏は言います。「しかし、慣れた粘菌は生き残りました。」また、彼らはすぐに塩分の多い環境へと移動し、餌を探し始めました。

ドイツのブレーメン大学で4月に開催された学術会議でこの未発表研究を発表したドゥストゥール氏によると、これは粘菌が学習能力を持ち、休眠期間中もその知識を保持できることを意味する。休眠期間中、細胞に生じる広範な物理的・生化学的変化にもかかわらず、学習は維持される。野生環境は時に危険を伴うため、餌の場所を記憶できることは粘菌にとって有用な能力だ。「粘菌が慣れることができるのは非常に良いことです。そうでなければ、行き詰まってしまうでしょう」とドゥストゥール氏は述べた。

さらに根本的には、この結果は「原始的認知」というもの、つまり脳を持つ生物に限定されない認知形態が存在することも意味すると彼女は述べた。

科学者たちは、この種の認知の基盤となるメカニズムをまだ解明していません。バルシュカ氏は、多くのプロセスや分子が関与している可能性があり、それらは単純な生物間で異なる可能性があると考えています。粘菌の場合、その細胞骨格は感覚情報を処理できる、スマートで複雑なネットワークを形成している可能性があります。「粘菌はこの情報を核に送り込んでいます」と彼は言います。

学習できるのは粘菌だけではない。研究者たちは、植物など神経を持たない他の生物についても調査し、最も基本的な学習形態を示すことができるかどうかを調べている。例えば、2014年に西オーストラリア大学とイタリアのフィレンツェ大学のモニカ・ガリアーノとその同僚は、オジギソウの実験に関するメディアの騒動を巻き起こした論文を発表した。オジギソウは、触れられたり、物理的に邪魔されたりすることに敏感なことで知られており、防御機構として繊細な葉をすぐに丸めてしまう。ガリアーノは、植物を傷つけることなく、約30センチほど突然落とす機構を開発した。最初は、落とされると植物は葉を引っ込めて丸めていた。しかし、しばらくすると植物は反応しなくなった。防御反応は必要ないことを「学習」したかのようだ。

従来、脳やニューロンを持たない単純な生物は、せいぜい単純な刺激反応行動しか取れないと考えられていました。粘菌（Physarum polycephalum）などの原生動物の行動に関する研究（特に北海道大学の中垣俊之氏の研究）は、一見単純なこれらの生物が、環境の中で複雑な意思決定と問題解決能力を持っていることを示唆しています。例えば、中垣氏らは、粘菌が迷路問題を解いたり、人間が設計したものと同じくらい効率的な物流網を構築したりできることを示しました（有名な例として、粘菌が東京の鉄道網を再現したという研究結果があります）。

ニュージャージー工科大学スウォームラボを率いるクリス・リード氏と彼の同僚サイモン・ガルニエ氏は、粘菌がどのようにしてそのすべての部位間で情報を伝達し、ニューロンで満たされた脳の能力を模倣する一種の集合体として機能するのかというメカニズムを解明しようと研究している。粘菌の各微小部位は約1分かけて収縮と膨張を繰り返しているが、その収縮率は周囲の環境の質と関連している。刺激が加わると脈動が速くなり、刺激が加わると脈動が遅くなる。脈動する各部位は、隣接する部位の脈動周波数にも影響を与え、これは連結したニューロンの発火頻度が互いに影響し合うのとよく似ている。研究者たちは、コンピュータービジョン技術と、粘菌版MRI脳スキャンとも言える実験を用いて、粘菌がこのメカニズムをどのように利用して巨大な単細胞生物の体内で情報を伝達し、相反する刺激の間で複雑な判断を下しているのかを解明している。

脳の特別性を保つための戦い

しかし、主流の生物学者や神経科学者の中には、この研究結果に批判的な意見もある。「神経科学者たちは、脳の特殊性を『軽視』することに異議を唱えている」と、タフツ大学の生物学者マイケル・レビン氏は述べた。「脳は素晴らしいものですが、どこから来たのかを忘れてはなりません。ニューロンは非神経細胞から進化したものであり、魔法のように現れたわけではないのです。」

一部の生物学者は「細胞が目的や記憶などを持つという考えには、魔法のように聞こえるから」と反論する、と彼は付け加えた。しかし、過去1世紀ほどにわたる制御理論、サイバネティクス、人工知能、機械学習の研究によって、機械論的なシステムが目的を持ち、意思決定を行えることが示されてきたことを忘れてはならない、と彼は述べた。「コンピュータサイエンスは、情報処理が基質に依存しないことをずっと以前から学んできました」とレビン氏は述べた。「重要なのは、あなたが何でできているかではなく、どのように計算するかなのです。」

カリフォルニア大学サンディエゴ校統合神経科学研究所所長のジョン・スマイシーズ氏によると、学習をどう定義するかによってすべてが決まるという。スマイシーズ氏は、粘菌が長期間の休眠後も塩への慣れを維持したというドゥストゥール氏の実験が、多くのことを示唆しているとは考えていない。「『学習』とは行動を意味し、死ぬことはそうではない！」と彼は言う。

オランダ、フローニンゲン大学の認知科学者フレッド・カイザー氏にとって、これらの興味深い行動が粘菌の学習能力を示すかどうかという問題は、冥王星が惑星であるかどうかをめぐる議論に似ている。その答えは、経験的証拠だけでなく、学習の概念の捉え方にも大きく依存する。それでもカイザー氏は、「非神経生物が実際に学習できるという可能性を否定する明確な科学的根拠は見当たらない」と述べた。

バルシュカ氏によると、植物が記憶、学習、認知能力を持つかどうかについても、多くの研究者が激しく意見を異にしているという。植物は依然として「完全な生物というよりは、ゾンビのようなオートマトン」と考えられているという。

しかし、一般的な認識はゆっくりと変化しつつあります。「植物に関しては、2005年に植物神経生物学イニシアチブを開始しました。まだ主流には受け入れられていませんが、すでに大きく変化を遂げており、『植物のシグナル伝達』『コミュニケーション』『行動』といった用語は、今ではほぼ受け入れられています」と彼は言います。

この論争は、科学をめぐる論争ではなく、言葉の論争と言えるだろう。「粘菌の知能について私が話を聞いた神経科学者のほとんどは、実験が有効であり、脳を持つ動物で行われた同じ実験と同様の機能的結果を示していることを喜んで受け入れています」とリード氏は述べた。彼らが問題視しているのは、学習、記憶、知能といった、伝統的に心理学や神経科学でのみ用いられ、ほぼ普遍的に脳と関連付けられている用語の使用であるようだ。「粘菌の研究者は、粘菌で観察される機能的に同等の行動には、脳を持つ動物と同じ記述用語を用いるべきだと主張する一方、古典的な神経科学者は、学習と知能の定義そのものにニューロンに基づく構造が必要だと主張するのです」とリード氏は述べた。

バルシュカ氏は、その結果、原始的認知研究のための助成金を得るのはそれほど容易ではないと述べた。「最も重要なのは、助成金提供機関や資金提供団体が、このようなプロジェクト提案を支援し始めることです。これまでのところ、主流の科学は、いくつかの例外はあるものの、この点に関してはむしろ消極的であり、それは本当に残念なことです。」

原始的認知の研究者が主流の認知を獲得するには、幅広い刺激に対する慣れを実証し、そして最も重要なのは、慣れがどのように達成され、それが単一細胞間でどのように伝達されるのかという正確なメカニズムを明らかにする必要があるとリード氏は述べた。「このメカニズムは脳で観察されるものとは大きく異なるはずですが、機能的結果の類似性から、この比較は非常に興味深いものとなっています。」

オリジナルストーリーは、数学、物理科学、生命科学の研究の進展や動向を取り上げることで科学に対する一般の理解を深めることを使命とする、シモンズ財団の編集上独立した出版物であるQuanta Magazineから許可を得て転載されました。