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转载| 黏菌:无脑无神经系统的智能生物

史莱姆(slime)是一种在电子游戏与奇幻小说中时常出现的虚构生物,其身体结构可以多样化,从流动的黏稠液体到半固化果冻状,它具有弹性且能蹦跳移动,有时全身是单一均质,有时具备眼、口等器官,依作品不同而有很大的差异。

史莱姆(Slime)的英语原意是指烂泥或动物分泌出来的粘稠液体,即黏(液)怪。一滩软趴趴蠕动前行的烂泥状低等怪物,正是黏怪的原始形象。

黏怪生存于下水道等富含湿土的地下阴暗区域,以吞噬老鼠等小型生物尸体为生,主要攻击手段是喷射酸液腐蚀目标。由于长期处于污浊潮湿环境,它们吐出的酸液中往往含有一些不明成分,在损坏金属制品外还有可能使生物患病。

黏怪如何进化产生,至今仍然是一个迷团。虽然分裂生殖是黏怪的主要繁衍方式,但很难解释其最初由何而来。这种奇异的生物其实就是活化的泥水混合物,在受到剑砍斧劈之后,开口能随即愈合,只有元素与魔法的力量才能将之毁灭。

黏怪存在的地方卫生环境极差,充斥其间的腐烂污垢与难闻气味令人作呕。作为史莱姆雏形的黏怪,它移动缓慢,攻击力微弱,具有智力低下的行动本能,但在冒险旅程中却是一种非常麻烦的生物。一般的物理打击对黏怪完全无效,即使花费偌大力气用魔法将它们消灭,在化为一地碎泥屑土的尸骸中,也不会捞到什么有意义的东西。

在生物学中,史莱姆被称为黏菌(Slime mold)。它的诡异性光考虑“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。

未成熟的子实体阶段

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。

黄色黏菌在攻城掠地

黏菌的行为首先得到科学们的关注,是从日本的一个著名的迷宫实验开始的。2000年,Nakagaki等科学家设置了这么一种有趣的玩法:他们将黏菌培养在一个普通迷宫中,在迷宫的起点和终点处,都放了一些燕麦,而燕麦正是黏菌最喜爱的食物。迷宫中共有4条长短不一的路线,都可以连接到这两个食物源。

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。

AG为起点和终点,白线为最短路径

黏菌还有更强的看家本领。即使你再设计路况复杂无数倍的迷宫,都难不倒它们找出“最优解”。在上述实验的基础上,研究人员在2004年换了一种方式测试黏菌。他们打算在自由的平面上放置多个食物源,想观察这些黏菌是否还能找出觅食的最优路径。

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?

黄色为人字形线路,黑色为环形线路

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。

Nakagaki

在2004年,Nakagaki及其团队在实验室中最高用了7个食物源,验证了黏菌的道路规划能力。统计分析表明,黏菌规划的路线几乎满足智能网络的多重要求,是“旅行商问题”或“斯坦纳树问题”所寻求的最佳化路径。

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。

灰度越高代表光强度越弱

将一块最大的燕麦块投放在容器中央,这相当于东京站的位置。其它小块燕麦则被分散地放在容器内,对应东京铁路中的35个车站。接下来,就看黏菌的表现了。

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。人们不禁要问:它会不会是打开未来人工智能大门的一把关键性钥匙。

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