Nemá nervovou soustavu, a přesto řeší úkoly, optimalizuje sítě a „pamatuje si“, co se mu nevyplatilo. Vápenatka mnohohlavá přepisuje pravidla toho, co považujeme za inteligenci – a ukazuje, že i sliz může myslet.
Příroda stále překvapuje vědeckou komunitu nečekaným chováním organismů, které se na první pohled zdají být extrémně jednoduché. Po desetiletí byl pojem inteligence spojován s vývojem mozku a nervové soustavy, což tradičně řadilo savce a ptáky mezi nejsložitější živočichy. Nedávné objevy však tento názor zpochybnily a otevřely nové směry výzkumu toho, jak jsou informace v živých organismech zpracovávány.
Jedním z nejpozoruhodnějších příkladů je vápenatka mnohohlavá (Physarum polycephalum), jednobuněčný organismus lidově nazývaný „blob“, který prokázal překvapivou schopnost řešit složité problémy, přestože mu chybí mozek, neurony nebo nervový systém.
Jednoduchý organismus se složitými schopnostmi
Vápenatka mnohohlavá patří do skupiny myxomycet (neboli slizovitých plísní), organismů zařazených do říše protist, které mají společné znaky s houbami i amébami. Daří se mu především ve vlhkém, stinném prostředí, jako je lesní půda, tlející kmeny nebo listí, kde se živí bakteriemi, sporami a rozkládající se organickou hmotou.
Ačkoli je často označován jako „houba“, není tomu tak. Jeho nejnápadnější formou je plasmodium, nažloutlá, slizovitá hmota viditelná pouhým okem, která je z biologického hlediska stále jedinou obrovskou buňkou s tisíci nebo miliony jader sdílejících stejnou cytoplazmu. Tato buňka může dorůst velikosti několika centimetrů, nebo dokonce větší než jeden metr čtvereční, pokud jsou podmínky příznivé.
Její vzhled je sice nenápadný, ale její biologické fungování vzbudilo zájem odborníků z tak rozdílných oborů, jako je neurověda, informatika, evoluční biologie a urbanismus. Tento organismus se dokáže pohybovat a zkoumat své prostředí pomocí vnitřního systému založeného na cirkulaci protoplazmy, buněčného materiálu, který rytmicky osciluje a vytváří koordinované pohyby.
Tyto oscilace vytvářejí jakýsi vnitřní „puls“, který tlačí cytoplazmu různými směry a rozpíná a stahuje tělo organismu. Výsledkem je pomalý, ale cílený pohyb o několik centimetrů za hodinu, který mu umožňuje prozkoumávat rozsáhlé oblasti při hledání potravy nebo příznivějších podmínek.
Tyto pohyby umožňují organismu činit zdánlivě strategická rozhodnutí, jako je vyhýbání se škodlivým oblastem, ústup ze suchých nebo toxických oblastí a efektivní přesun ke zdrojům potravy. To vše bez jediného neuronu.
Jak se řeší problémy bez mozku
Velká otázka zní: jak se může organismus bez nervové soustavy „rozhodnout“, co má dělat? Odpověď, kterou vědci navrhují, je, že místo centralizovaného mozku vápenatka používá své vlastní tělo jako distribuovaný výpočetní systém. Každá část plasmodia reaguje lokálně na chemické a fyzikální signály (např. přítomnost živin, světla nebo toxických látek) a z interakce všech těchto lokálních reakcí vzniká koherentní globální chování.
Jeden z nejznámějších experimentů s Physarum polycephalum byl proveden na počátku 21. století v Japonsku. Vědci umístili organismus do bludiště se dvěma zdroji potravy na opačných koncích. Během několika hodin byl kapénka schopna vysledovat cestu spojující oba body pomocí nejkratší dostupné trasy.
Paul Stamets… Cellular Intelligence (Physarum polycephalum) pic.twitter.com/2SddUkt8gi
— Pelham (@Resist_05) May 11, 2022
Zpočátku se organismus rozšířil téměř do všech chodeb bludiště. Postupem času však posílil protoplazmatické trubice, které nejpříměji spojovaly zdroje potravy, a stáhl ty, které mu neposkytovaly výhodu. Konečným výsledkem byla minimální síť, velmi podobná řešení, které by poskytl optimalizační algoritmus.
Toto chování vědci interpretovali jako formu přirozené optimalizace, podobnou matematickým algoritmům používaným v informatice k nalezení efektivních řešení složitých problémů, jako je návrh dopravních tras nebo komunikačních sítí.
Jiné studie, například ty vypracované na univerzitě v Toulouse, ukázaly, že tělo se může „naučit“ vyhýbat se škodlivým látkám. Při opakovaném vystavení hořkým sloučeninám, jako je kofein nebo chinin, změní kapka své chování a těmto oblastem se vyhne, což naznačuje existenci primitivní formy biologické paměti.
V jednom takovém experimentu vědci umístili mezi organismus a zdroj potravy můstek potažený nepříjemnou, ale nesmrtící látkou. Zpočátku vápenatka přecházela pomalu, „váhala“ tváří v tvář negativnímu podnětu. Po několika opakováních se doba přechodu výrazně zkrátila, jako by se organismus naučil, že i přes nepříjemnost je cesta stále bezpečná a výhodná.
Největší překvapení přišlo, když vědci spojili dvě plazmodia: jedno „vycvičené“ a jedno „naivní“. Po nějaké době spojení se organismus, který neměl žádné předchozí zkušenosti, choval, jako by se to také naučil, a přešel most stejně rychle jako ten trénovaný. To naznačuje, že získané informace mohou být uloženy a sdíleny prostřednictvím fyzikálních a chemických změn ve vlastním těle organismu.
Experiment, který napodoboval tokijské metro
Jeden z nejpozoruhodnějších pokusů se uskutečnil v roce 2010, kdy japonští vědci pomocí gelu znovu vytvořili mapu tokijské metropolitní oblasti. Na mapu umístili ovesné vločky v bodech odpovídajících hlavním stanicím metra a do jejich středu umístili organismus.
V průběhu několika dní se kapka rozšířila do sítě trubic spojujících různé zdroje potravy. Pozoruhodné bylo, že výsledná struktura přesně odpovídala skutečnému uspořádání tokijského železničního systému, který je jedním z nejsložitějších na světě.
Vědci navíc zjistili, že síť vytvořená organismem eliminovala nadbytečné cesty a navrhovala efektivnější spojení, přičemž zachovávala rovnováhu mezi náklady (celková délka sítě), robustností (schopnost pokračovat ve fungování v případě poruchy některého úseku) a efektivitou (rychlost přepravy z jednoho bodu do druhého). Jinými slovy, přirozeně vyřešil inženýrský problém, který obvykle vyžaduje pokročilé matematické modely a výkonné počítače.
Tento experiment, publikovaný v časopise Science, byl zopakován nejen s dalšími městy, ale také se silničními mapami a elektrickými sítěmi. V mnoha případech Vápenatka nalezla řešení, která jsou srovnatelná nebo dokonce lepší než řešení navržená lidmi, přinejmenším z hlediska konstrukční účinnosti.
Další úspěchy inženýrské houby
Tokijské metro není jediným pozoruhodným příkladem. V následujících letech různé výzkumné skupiny využily Physarum polycephalum k řešení nejrůznějších problémů:
- Navrhování silničních a potrubních sítí: Mapy zemí, jako je Velká Británie a Mexiko, byly znovu vytvořeny umístěním potravy ve velkých městech. Organismus má tendenci vytvářet sítě připomínající dálnice nebo nejefektivnější distribuční trasy.
- Simulace evakuace: Někteří výzkumníci navrhli použít chování vápenatky jako model pro studium optimalizace nouzových východů v budovách nebo na stadionech, protože organismus má tendenci hledat alternativní cesty, když je cesta zablokovaná.
- Řešení matematických problémů: Byly navrženy experimenty, při nichž by kapénka „řešila“ fyzikální verze klasických optimalizačních problémů, jako je například problém dojíždění (hledání nejkratší trasy přes několik bodů).
Ve všech těchto případech organismus „nemyslí“ v lidském slova smyslu, ale jeho fyzikální a chemická dynamika mu umožňuje paralelně zkoumat mnoho možností a ponechat si jen ty nejvýhodnější, podobně jako to dělají některé algoritmy umělé inteligence.
Biologické výpočty a inteligence bez neuronů
Chování Physarum polycephalum podnítilo rozvoj nových oblastí výzkumu, jako jsou biologické výpočty a takzvaná bazální inteligence neboli „inteligence bez mozku“. Někteří vědci se domnívají, že tento organismus dokazuje, že inteligence nemusí nutně záviset na přítomnosti neuronů, ale na schopnosti systému zpracovávat informace a přizpůsobovat se prostředí.
V oblasti výpočetní techniky byly navrženy takzvané „počítače Physarum“: experimentální zařízení, v nichž organismus funguje jako fyzikální procesor. Namísto bitů, které se mění mezi 0 a 1, se k reprezentaci informace používají změny tvaru a tloušťky plazmových trubic. Přestože tyto systémy zdaleka nekonkurují elektronickým počítačům, slouží jako živá laboratoř pro zkoumání nových forem výpočtů, které se blíží tomu, jak biologické systémy řeší problémy.
Myšlenka, že jednobuněčný organismus se může „učit“ a „pamatovat si“, také znovu rozvířila debatu o tom, kde vlastně začíná inteligence. Tradičně byla spojována s živočichy s vyvinutým mozkem, jako jsou savci, ptáci nebo hlavonožci (chobotnice a chobotnice). Nedávné studie však ukázaly překvapivé chování u mnohem jednodušších tvorů, jako jsou rostliny, které si zřejmě „pamatují“ minulé podněty, nebo bakterie, které spolupracují a komunikují prostřednictvím chemických signálů.
Vápenatka se stala symbolickým případem této změny pohledu. Její studie naznačuje, že inteligenci lze chápat jako schopnost systému využívat informace z prostředí a vlastní historie k adaptivním rozhodnutím, a to bez ohledu na to, zda existuje mozek jako takový.
Má organismus bez mozku skutečně paměť?
Jedním z nejzajímavějších aspektů je paměť. Pokud se blob může učit, kde tyto informace ukládá? Na rozdíl od zvířat nemá žádné synapse ani neuronové sítě, které by posilovaly spojení. Současné hypotézy naznačují, že paměť vápenatkymůže být „zapsána“ v:
- Struktura jeho sítě trubic: Cesty, které se ukázaly jako užitečné, se zhušťují a udržují, zatímco ty neužitečné se ztenčují a mizí. Tato fyzikální architektura by mohla být jakýmsi záznamem minulých zkušeností.
- Vnitřní chemické změny: Změny v koncentraci určitých molekul nebo v citlivosti na určité podněty by mohly odrážet to, co organismus „prožil“.
V roce 2021 výzkumný tým prokázal, že vápenatka zanechává na vnějším povrchu stopu hlenu, kterou používá jako „mapu“. Když organismus na tuto stopu znovu narazí, má tendenci se jí vyhnout, jako by věděl, že danou oblast již prozkoumal. Tento mechanismus mu umožňuje vyhnout se plýtvání časem při opětovném navštěvování míst, která pro něj nemají žádný význam, což je velmi základní forma prostorové paměti.
Co nás vápenatky učí o nás samých
Zájem o Physarum polycephalum se neomezuje jen na biologickou zvědavost. Její schopnosti slouží k tomu, aby zpochybnily některé dlouho zažité představy o mysli a inteligenci. Mezi poučení, která nám tato „inženýrská houba“ poskytla, patří následující:
- Inteligence není vlastní pouze velkým mozkům: Může vzniknout i ve velmi jednoduchých systémech, pokud existuje způsob, jak zpracovávat informace a modifikovat chování na základě zkušeností.
- Tělo také myslí: U vápenatky se „výpočty“ provádějí prostřednictvím fyziky jeho tekutin a chemie jeho membrán. U zvířat, včetně člověka, přibývá důkazů, že tělesné procesy (hormony, mikrobiota, imunitní systém) ovlivňují rozhodování.
- Příroda zkoumá řešení, která pak technika napodobuje: Dopravní sítě, optimalizační algoritmy nebo komunikační systémy mohou být inspirovány organismy, jako je vápenatka, které „testují“ strategie v evoluční laboratoři již miliony let.
Samozřejmě je nelze srovnávat s lidskou inteligencí z hlediska kognitivního nebo emocionálního. Vápenatka nemá žádné sebeuvědomění, pocity ani uvažování. Představuje však fascinující příklad toho, jak příroda vyvíjí důmyslná řešení složitých problémů, aniž by k tomu potřebovala mozek.
Jeho schopnost zkoumat, přizpůsobovat se a nacházet optimální cesty ukazuje, že inteligence se může projevovat zcela jinými způsoby, než jaké jsou tradičně spojovány s lidským myšlením. Kromě svého prostého vzhledu se takzvaná „inženýrská houba“ stala symbolem toho, jak mohou přírodní systémy inspirovat vědecké a technologické průlomy, a připomínkou toho, že stále chápeme jen malou část toho, co skutečně znamená „být chytrý“.
Z lesa do laboratoře: Budoucnost výzkumu vápenatek
Z kapénky, která se v přírodě nepozorovaně vyskytuje na vlhkých kmenech a lesních půdách, se stal poměrně snadno udržovatelný laboratorní model: pěstuje se na agarových destičkách a krmí se ovesnými vločkami. Tato jednoduchost umožnila nejen velkým výzkumným centrům, ale také školám a občanským laboratořím využívat ji pro vzdělávací a participativní vědecké projekty.
Do budoucna vědci zkoumají několik slibných možností:
- Měkká robotika: Navrhování flexibilních robotů, kteří se pohybují a rozhodují podle způsobu, jakým vápenatka zkoumá své prostředí.
- Chytré materiály: Vytváření materiálů, které mohou měnit tvar nebo vnitřně přerozdělovat zdroje v závislosti na vnějších podmínkách a napodobovat tak síť trubic kapky.
- Bioinspirované algoritmy: Vývoj nových optimalizačních metod pro logistiku, telekomunikace nebo energii na základě jednoduchých pravidel, kterými se řídí růst vápenatek.
To vše dělá z tohoto zdánlivě skromného organismu nečekaného spojence pro lepší pochopení inteligence, zlepšení našich měst a navrhování efektivnějších a přizpůsobivějších technologií.