黏菌:虽然神圣的F2还连接着我们,但是我们学会微操了!
黏菌(Slime mold)的诡异在于光是考虑“将它们划分为哪一类生物”,生物学家就头痛了很久。
首先,黏菌是真核生物,并非什么粘液细菌。在它们的一生中,共有两个截然不同的形态。
在生长期或营养期,黏菌为裸露的无细胞壁的原生质团,称为“变形体阶段”。这一阶段的营养结构、运动和摄食模式都与变形虫等原生动物相似。正是因为主动运动摄食是动物才有的特性,所以有的生物学家认为黏怪应该属于原生动物。
不过,与原生动物不同的是,黏菌拥有的“集体意识”是原生动物不能比拟的。当周围食物短缺时,它们就会发出信号召唤周围的黏菌逐渐聚拢在一起。于是无数的黏菌就慢慢合体变成了一个大胖子“史莱姆”,再通过协作运动将周围的食物收入囊中。
然而一到繁殖期,它们又换了一种形态,表现得更像真菌。这一阶段称为“子实体阶段”,黏菌会慢慢长成蘑菇型,并逐渐变硬、变干。最后,无数具有纤维质细胞壁的孢子就会诞生,进行有性繁殖。因此,又有一部分生物学家认为应该将黏菌视为一种真菌。
后来,生物学家只好将这一“四不像”生物,直接归为原生生物界(Protist),单列黏菌门。分类学也就五个界,所以有人将这样的分类形容为“专门用于我们并不真正了解的一切”。
黏菌作为一种单细胞生物,最奇异的地方还不在分类上,而是它们表现出来的智慧才是让人们难以想象的。
30多年前,生物学家首次将黏菌带进实验室时,就发现其运动方式与众不同。它们不但会走迷宫,有学习能力,甚至还能模拟人造交通网络布局。只需要花几小时,它们就能实现一堆顶级工程师几十年才能完成的事,被喻为“世上最小的道路规划师”。而这一切,竟然是发生在这坨史莱姆没有神经系统、没有大脑的状况下。
研究人员在实验中发现,黏菌会伸展自己的细胞质,覆盖住几乎整个迷宫平面,亦即迷魂八卦阵没能阻碍它们原始的“贪吃”本领。只要发现了食物,它们就开始慢慢缩回多余的部分,最后只剩下最短的路径。无论重复多少次实验,黏菌都像商量好了似的,总是毫不犹豫地选出了那条消耗体力最少、又能获得食物的道路。
测试结果显示,黏菌能够连接各点形成最佳网络,这个网络几乎就是工程里的最佳化路径。
最佳化路径蕴含复杂的组合优化问题,比如三个点之间取最优路径就会让人纠结好一阵子。那坨史莱姆没有脑没有神经系统,那些麦片摆在ABC三点上,那么它们怎样建立能量消耗最少的捕食麦片路线呢?
这是一个三点连通求距离之和最小的问题。但问题是,如果形成“人”字型路线,只要随便断开一路,就等同于有一块麦片吃不到了。如果把这ABC三点直接连起来,形成一种环形的线路,这样虽然距离是长了点,却不至于失去任何一颗燕麦。
这正是黏菌厉害的地方,它们能综合考虑各方面的情况,所要找寻的不是最短的问题,而是最优的方案。
科学家们还异想天开地用黏菌模拟出了整个日本东京地区的铁路网。黏菌只需要几十小时疯狂生长,就能重复顶级设计师们几十年的心血。
研究人员依照东京周边的轮廓打造出一个大盘子,用以限制黏菌的活动范围。根据黏菌的避光特性,用局部光照来模拟周围的海岸线和地形。因为真实的铁路网络,就是会受到山丘、湖泊或地势的阻碍。
起初,黏菌会尽量铺满平面,不断对新领地加以探索。十几个小时后,黏菌开始优化布局,例如燕麦之间的管道会不断强化,而一些用途不大的路径则会逐渐缩回消失。大约过了26个小时,这些黏菌就形成了一个与东京地区铁路网络高度相似的脉络。这几乎就是东京铁路的翻版,甚至比东京铁路更富有弹性。
此外,黏菌网络还具有高效的自我修复性。只要将其中一个食物源拿掉,整个实务网络将会重新根据之前的“最优化”原则重新排布。
这个实验结果发表在2010年的Scinece期刊上。同年,这一成就也让这个研究团队获得该年度的“搞笑诺贝尔-运输规划奖”。
目前对于无脑无神经的黏菌究竟是怎么完成这智能性网络的,仍然是一个未解之谜,不过废土上的黏菌显然把这个谜题推上了巅峰,这一次学会微操的浪潮会有怎样的表现呢?