Bacteriile pot învăța și pot stoca amintiri fără a avea creier
Învățarea este adesea asociată cu existența unui creier, însă acest proces nu depinde în mod obligatoriu de neuroni. Dacă un organism folosește informații din experiențele trecute pentru a-și modela deciziile viitoare, atunci el învață. Un studiu publicat în revista PRX Life arată că până și o singură bacterie poate învăța din experiență, poate stoca amintiri despre trecut și le poate utiliza pentru a se pregăti pentru viitor.
Adaptarea la un mediu imprevizibil
Bacteriile trăiesc în medii care se schimbă constant și la scări de timp foarte diferite. În intestinul uman, nivelurile de nutrienți fluctuează, temperatura variază, iar amenințările cu antibiotice apar și dispar. Pentru a supraviețui, o bacterie trebuie să reacționeze rapid la ce se întâmplă în prezent, păstrând totodată informații utile despre ceea ce a experimentat recent. O adaptare prea rapidă lasă bacteria vulnerabilă la condiții în schimbare, în timp ce uitarea facilă o face incapabilă să anticipeze o amenințare recurentă.
Experimentul cu Escherichia coli
Pentru a investiga dacă organismele unicelulare pot învăța din experiența trecută, cercetătorii au folosit un dispozitiv microfluidic pentru a urmări comportamentul a zeci de mii de celule individuale de E. coli, în timp ce sursa de nutrienți era oprită și pornită la intervale diferite. Rezultatele au arătat că bacteria nu reacționează doar la nivelul actual de nutrienți, ci ține cont și de istoricul său nutritiv. Expuse la același flux de nutrienți, bacteriile care trecuseră printr-un mediu cu alternanțe de abundență și foamete s-au adaptat mult mai rapid decât cele provenite dintr-un mediu stabil. Deoarece condițiile imediate erau identice, diferența de comportament a fost atribuită unei înregistrări interne a trecutului, nu unei simple reacții la prezent.
Unde se stochează memoria
Pentru a înțelege mecanismul, echipa a construit un model matematic al rețelei moleculare interne care controlează creșterea bacteriană. Modelul a reprodus comportamentul bacteriilor în diferite medii nutritive și a indicat că memoria ar putea fi stocată la nivelul ribozomilor — fabricile moleculare ale celulei care construiesc proteine și determină viteza de creștere. Unii ribozomi răspund rapid la schimbările de nutrienți, în timp ce alții se modifică mai lent. Cei rapizi urmăresc prezentul, iar cei lenți păstrează urme ale trecutului, oferind celulei o memorie care se întinde de la minute la ore.
Asemănarea cu rețelele neuronale artificiale
Modelul matematic a arătat că acest sistem molecular urmează aceeași logică computațională ca o rețea neuronală recurentă cu porți, un tip de inteligență artificială folosit pentru procesarea secvențelor precum vorbirea sau datele senzoriale. Elementul central este poarta — un comutator molecular care decide cât din memoria existentă să păstreze și cât să suprascrie la sosirea informațiilor noi. Menținerea memoriei are un cost, deoarece pregătirea pentru adaptare se face în detrimentul creșterii. Bacteria folosește porți moleculare pentru a regla activ cât reține și cât elimină. Spre deosebire de sistemele AI, poarta bacteriei nu este construită din software, ci din chimia celulei. Această strategie rezolvă și o problemă familiară cercetătorilor din AI: cum să înveți ceva nou fără a șterge ceea ce ai învățat anterior.
Implicații pentru medicină și inteligența artificială
Folosind cea mai largă definiție a învățării, rezultatele arată că memoria și învățarea pot apărea din rețele chimice dintr-o celulă, fără creier sau neuroni. Studiul relevă și o legătură neașteptată între biologie și inteligența artificială. Pentru biologie, modelul oferă un limbaj cantitativ pentru descrierea modului în care celulele procesează informația și iau decizii. Pentru inteligența artificială, oferă o schiță biologică pentru sisteme care pot învăța continuu în condiții de constrângeri energetice severe. Descoperirile ar putea avea implicații și în medicină: multe bacterii patogene supraviețuiesc adaptându-se la condițiile schimbătoare din organism. Dacă această adaptabilitate depinde de memoria celulară, viitoare medicamente împotriva infecțiilor ar putea perturba componentele moleculare care permit celulelor să stocheze și să folosească informații despre mediul lor.
