De eencellige slijmzwam Physarum polycephalum in een kweekschaaltje.
Nico Schramma/MPIDS

Hoe een eencellige slijmzwam zonder hersenen zich herinnert waar er voedselbronnen zijn

Als een organisme zich gebeurtenissen uit het verleden herinnert, kan het slimmere beslissingen nemen over de toekomst. Duitse onderzoekers hebben nu het mechanisme geïdentificeerd waarmee de slijmzwam Physarum polycephalum herinneringen kan vormen, ondanks het feit dat die geen zenuwsysteem heeft, en dus ook geen hersenen. 

Het vermogen om informatie op te slaan en op te roepen geeft een organisme een duidelijk voordeel bij het zoeken naar voedsel of het vermijden van gevaarlijke milieus, en het wordt van oudsher gelinkt aan organismen die een zenuwsysteem hebben. 

Een nieuwe studie die de verrassende vermogens blootlegt van een zeer dynamisch, eencellig organisme, dat in staat blijkt informatie over zijn omgeving op te slaan en op te roepen, stelt die visie nu echter in vraag.

De studie is uitgevoerd door Mirna Kramar van het Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation (MPIDS) en professor Karen Alim van het MPIDS en de Technischen Universität München (TUM).  

Als de slijmzwam Physarum polycephalus geen voedsel meer heeft, vormt hij vertakkingen die buiten het bakje waar hij in zit op zoek gaan naar voedsel.
Norty Edwards/mushroomobserver.org/Wikimedia Commons/CC BY-SA 3.0

Een venster op het verleden

De slijmzwam Physarum polycephalum wordt veel bestudeerd in laboratoria en hij stelt onderzoekers al tientallen jaren voor raadsels.

Het is een protist en het organisme bevindt zich zowat op het kruispunt van de biologische koninkrijken van de planten, de dieren en de zwammen. Dit unieke organisme, dat dus geen plant, dier of zwam is, biedt inzichten in de vroege evolutionaire geschiedenis van de eukaryoten, organismen met een duidelijk afgescheiden celkern. 

Het lichaam van Physarum polycephalum is één enkele, enorme cel die bestaat uit met elkaar verbonden buisjes die ingewikkelde netwerken vormen. Deze op een amoebe lijkende cel kan zich uitstrekken over verschillende centimeters of zelfs meters en de slijmzwam heeft dan ook een vermelding in het Guinness Book of Records als de grootste cel op aarde. 

Het opvallende vermogen van de slijmzwam om complexe problemen op te lossen, zoals het vinden van de kortste weg door een doolhof, heeft gemaakt dat Physarum polycephalum als 'intelligent' wordt omschreven. Het intrigeert de wetenschappelijke gemeenschap ook en het heeft vragen aangewakkerd over besluitvorming op de meest primaire niveaus van het leven. 

Het vermogen van Physarum om beslissingen te nemen, is vooral fascinerend omdat het netwerk van buisjes van de slijmzwam voortdurend een snelle reorganisatie ondergaat - buisjes groeien en worden afgebroken - zonder dat er ook maar iets van een organisatorisch centrum bestaat. 

De onderzoekers hebben nu ontdekt dat het organisme herinneringen aan ontmoetingen met voedsel direct verweeft in de opbouw van zijn netwerkachtig lichaam en die opgeslagen informatie gebruikt bij het nemen van toekomstige beslissingen. 

Een netwerk van Physarum polycephalum 'in het wild'.
Garrett Taylor/https://www.inaturalist.orgphotos25573047/Wikimedia Commons/CC BY-SA 4.0

Beslissingen worden geleid door herinneringen

"Het is erg opwindend als een project zich ontwikkelt uit een eenvoudige experimentele waarneming", zei Karen Alim. "We volgden de migratie en het voedingsproces van het organisme en namen een duidelijke afdruk waar van een voedselbron in het patroon van dikkere en dunnere buisjes van het netwerk, nog lang na het opnemen van het voedsel. Gelet op de zeer dynamische reorganisatie van het netwerk van P. polycephalum, leidde het feit dat de afdruk zeer persistent was, tot het idee dat de opbouw van het netwerk zelf kon dienen als een herinnering aan het verleden. Maar we moesten eerst nog het mechanisme achter de vorming van de afdruk verklaren." 

Alim is een van de auteurs van de nieuwe studie, professor in de theorie van biologische netwerken aan de TUM en het hoofd van de onderzoeksgroep Biologische Physik und Morphogenese aan het MPIDS in Göttingen. 

Om uit te zoeken hoe de afdruk tot stand kwam, combineerden de onderzoekers microscopische waarnemingen van de aanpassing van het netwerk van buizen met theoretische modellen. Een ontmoeting met voedsel bleek te maken dat er een chemische stof werd vrijgegeven, die van de plaats waar het voedsel gevonden werd door het organisme trok en die de buisjes in het netwerk zacht maakte. Dat maakte dan weer dat het hele organisme zijn migratie heroriënteerde naar het voedsel. 

"Het geleidelijke verzachten van de buisjes is waar de bestaande afdrukken van eerdere voedselbronnen een rol gaan spelen en waar informatie opgeslagen en weer opgehaald wordt", zei Mirna Kramar van het MPIDS, de eerste auteur van de studie. 

"Eerdere opnames van voedsel zijn ingebed in de hiërarchie van de diameters van de buisjes, meer bepaald in de rangschikking van dikke en dunne buisjes in het netwerk. Voor de weekmakende chemische stof die nu vervoerd wordt, werken de dikke buisjes in het netwerk als snelwegen in verkeersnetwerken en ze maken een snelle verspreiding doorheen het hele organisme mogelijk. Eerdere ontmoetingen die ingebed zijn in de opbouw van het netwerk wegen zo op de beslissing over de toekomstige richting van de migratie."   

Onderzoekster Mirna Kramar bij haar microscoop in het MPIDS.
© Komal Bhattacharyya

Universele beginselen inspireren gedrag

De onderzoekers onderstrepen dat het vermogen van Physarum om herinneringen te vormen, intrigerend is aangezien het levende netwerk zo simplistisch is. 

"Het is opmerkelijk dat het organisme zich verlaat op zo'n eenvoudig mechanisme maar het tegelijk op zo'n verfijnde manier controleert", zei Alim. "De resultaten geven ons een belangrijk deel van de puzzel om het gedrag van dit oude organisme te begrijpen en tegelijk wijzen ze op universele grondbeginselen die aan de basis liggen van gedrag."

"We denken dat onze bevindingen mogelijk toegepast zullen kunnen worden bij het ontwerpen van 'slimme' materialen en het bouwen van zachte robots die zich door complexe omgevingen kunnen voortbewegen", zo besloot ze. 

De studie van Mirna Kramar en Karen Alim is gepubliceerd in Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS). Dit artikel is gebaseerd op een persmededeling van het Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation. 

Meest gelezen