Несмотря на отсутствие мозга и нервной системы, одноклеточные организмы способны сохранять информацию о воздействии окружающей среды и передавать её следующим поколениям. Интересно, что эффективность запоминания возрастает при подавлении производства белка, в то время как у животных наблюдается противоположный эффект.
Ранее биологи полагали, что способность к формированию памяти – это свойство, характерное исключительно для организмов, обладающих сложной нервной системой. У многоклеточных животных, начиная от морских слизней и заканчивая млекопитающими, создание долговременной памяти предполагает обязательный синтез новых белков. Эти белки необходимы для изменения структуры соединений между нервными клетками, то есть синапсов. При введении животному вещества, подавляющего синтез белков, оно утрачивает возможность создавать синапсы и сохранять информацию.
Способность приспосабливаться к окружающей среде свойственна и одиночным клеткам, не образующим контактов. К примеру, обычная прудовая инфузория Stentor coeruleus умеет формировать привыкание (габитуацию): в ответ на механический удар она сжимается в плотный шар, но, если стучать регулярно, клетка понимает, что угрозы нет, и перестает реагировать.
Долгое время ученым оставалось неизвестно, каким образом формируется биохимия памяти у организма, не имеющего синапсов, и распространяются ли на него принципы нейробиологии, свойственные животным. Авторы исследования, опубликованного в журнале Current Biology, инфузорий подвергли тестированию. Для наблюдения за их реакциями подопытных помещали в специальную установку, которая ритмично воздействовала на чашку с разной степенью интенсивности.
На клетки одновременно воздействовали ингибиторы – пуромицин и циклогексимид, которые полностью блокировали синтез новых белков, однако инфузории адаптировались к вибрации быстрее. Для выявления активных генов исследователи анализировали протеом и транскриптом, избирательно подавляли потенциально проблемные гены с помощью РНК-интерференции, использовали химические препараты, подавляющие ферменты, и наблюдали за поведением клеток в процессе деления.
Выяснилось, что устройство памяти инфузорий существенно отличается. В отличие от животных, у Stentor остановка синтеза белков не вызвала амнезию. Напротив, инфузории стали обучаться быстрее и дольше сохраняли привыкание к ударам. Выяснилось, что при обучении клетка не создает новые связи, а «отключает» (дефосфорилирует) механорецепторы на своей поверхности. Ключевую роль в этом играют кальциевые сигналы и фермент CaMKII. Этот же фермент критически важен для формирования памяти в мозге человека. Когда работу CaMKII у инфузорий заблокировали химически, они стали учиться значительно хуже.
Для того чтобы «стереть» полученный опыт и вновь проявлять реакцию на внешние раздражители, инфузориям требуется синтезировать новые белки-киназы, которые восстанавливают активность рецепторов. Как следствие, препараты, подавляющие синтез белков, значительно увеличивали продолжительность «памяти» клеток, поскольку препятствовали запуску процесса забывания у инфузорий.
В ходе исследований биологи также установили, что память не локализована в определенной области, а рассеяна по всей мембране. При делении «обученной» инфузории, когда одна дочерняя клетка получала старый передний отдел, а другая – задний, обе новые особи сохраняли способность к запоминанию механического воздействия и продолжали избегать стука. Приобретенный опыт был весьма избирательным: инфузории, приученные к стуку, моментально сворачивались в шар при воздействии слабого разряда тока или яркого света.
Согласно результатам исследования, основные биохимические процессы, лежащие в основе формирования памяти, возникли в ходе эволюции задолго до появления первых нейронов. Даже единичная клетка обладает способностью к хранению информации и ее передаче следующему поколению, функционируя не только как биологическая структура, содержащая органеллы, но и как сложное устройство для обработки данных.