黏菌和阿米巴蟲的團(tuán)隊精神

柯永亮

黏菌的集體智慧

地球上存在著已有幾百萬年歷史的理性生物，但是，這里絕不是指智人的智慧，而是指由幾千個不長腦袋的微小生物個體——黏菌——組成的群體。黏菌是一種歷史悠久的微生物，其進(jìn)化歷史可追溯至數(shù)億年前，在其進(jìn)化過程中逐步形成了適應(yīng)環(huán)境求生存的能力。是的，就是這種原生物，在抱團(tuán)的時候，其工作能力遠(yuǎn)超一些先進(jìn)計算機(jī)和軟件，能夠解答數(shù)學(xué)問題，并且繪制地圖。這是怎么一回事呢？

個人與集體

人們對黏菌不甚了解，光知道這是一種單細(xì)胞生物，有點(diǎn)像真菌。單個黏菌就像阿米巴蟲（黏菌是變形蟲門錐足亞門黏菌下門的生物總稱，和阿米巴蟲是近親），緩慢移動以細(xì)菌為食。當(dāng)食物缺乏時，許多這樣的“阿米巴蟲”便緩慢聚集到一起，形成相當(dāng)大的各種不同形態(tài)的團(tuán)體，開始轉(zhuǎn)移地點(diǎn)，去尋找食物謀生。這樣的多細(xì)胞形成物被稱為生物變形體，也叫原質(zhì)團(tuán)，含有上萬個黏菌個體。

就這樣，在形成原質(zhì)團(tuán)的過程中，黏菌群體成為一個智能器官：確定食物的方向，并向這一側(cè)伸出突部或朝這一方向移動。黏菌避光趨暗，如果已經(jīng)形成的變形體所處的位置非常亮，它就會朝暗處爬行。黏菌個體分泌黏性蛋白，這種黏性蛋白的分泌改變了原質(zhì)團(tuán)內(nèi)部的“黏性”，使原質(zhì)團(tuán)個體數(shù)量分布變得不均勻，在原質(zhì)團(tuán)“鼻子” 部位細(xì)胞數(shù)量變得稀少，而在“尾部”變得稠密，這樣促使細(xì)胞群體向上突起。這么多的個體細(xì)胞的變動如何保持默契，如何相互配合黏性的分泌，至今還是個謎。

原質(zhì)團(tuán)可以覓食，甚至能在迷宮里覓食，就像一臺神奇的具有超凡能力的“終結(jié)” 號機(jī)器人。它能夠沿著迷宮走道正確爬行找到它們喜歡的、處在最偏僻角落的燕麥粒。黏菌在原質(zhì)團(tuán)的形態(tài)下能夠記住迷宮內(nèi)的岔口，不會停滯不前，任何時候也不會走重復(fù)的路線。之所以會這樣，是因為黏菌能夠捕捉氣味的化學(xué)感受。這也是它“記憶”的基礎(chǔ)：在探查路徑的過程中，黏菌會留下化學(xué)足跡，再次感覺到這種足跡時，它就會避開這條路。在一個原質(zhì)團(tuán)曾經(jīng)走過的迷宮內(nèi)，其他原質(zhì)團(tuán)也能夠避開這些記號，以免攪亂前輩留下的化學(xué)信息。在這一實驗中，黏菌群會伸展自己的細(xì)胞質(zhì)并覆蓋住整個迷宮平面，直至發(fā)現(xiàn)食物；然后縮回多余的部分只剩下最短路徑，使黏菌在迷宮路徑中最直接有效地尋找到食物。

學(xué)生與老師

為了一個遠(yuǎn)大的目標(biāo)，黏菌學(xué)會了完成并非每個個體都能熟練掌握的極其不可思議的事情。法國圖盧茲大學(xué)學(xué)者讓一群饑餓的黏菌經(jīng)過灑了咖啡或鹽的“小橋”。這兩種物質(zhì)都是不會引起原質(zhì)團(tuán)興趣的，于是原質(zhì)團(tuán)避開“小橋”走。但在接下來的實驗中，越來越多的黏菌估算出了繞過令它們厭惡的東西抵達(dá)食物點(diǎn)要多花費(fèi)好幾分鐘，便強(qiáng)忍著不快選擇越過“小橋”去尋找食物。

并且，如果將已經(jīng)與“咖啡（或鹽）橋”打過交道原質(zhì)團(tuán)，引進(jìn)到未接受過這種經(jīng)歷的黏菌群體中，使兩者融為一體，那么新形成的“超級智能”團(tuán)體，不用再積累經(jīng)驗，就能毫不畏懼地越過“小橋”朝著食物方向爬行。如果將這兩組黏菌再次隔開，那么之前沒有經(jīng)驗的原質(zhì)團(tuán)，就會從“學(xué)生”變成“老師”，再去“開導(dǎo)”其他原質(zhì)團(tuán)。研究人員弄不清黏菌是如何傳授知識的，只推測很可能有一種神經(jīng)遞質(zhì)參與其中。

理想與非理想

黏菌的這種集體意識降低了可能的危險和非理智的行為。悉尼大學(xué)的生物學(xué)家做了這樣一個實驗：他們在黑暗的角落投放少許麥粒，同時在亮處投放多些的麥粒。原質(zhì)團(tuán)一向避光趨暗，但是在這個實驗中，它們中有50%選擇了數(shù)量多的食物，也就是朝潛在危險的亮處爬行。

在接下來的實驗中，研究人員添加了暗處的麥粒分量，但吃過虧的黏菌變形體并不領(lǐng)情，還是繼續(xù)朝亮處覓食。只是，它們的行為會因前面實驗的兩組變形體的行為改變而改變：80%的原質(zhì)團(tuán)爬向暗處不那么容易吃飽的食物；其余20%為了多些熱量忍受亮光的刺激向光而行。這是非理性的決定：第三組變形體不改變其他兩組的選擇。人類在同樣的情況下，也會做出同樣的選擇，獲取的不是絕對的而是相對的物的價值。顯然，非理性乃是任何智慧的本性，甚至是集體智慧的本性，黏菌的原質(zhì)團(tuán)也不例外。

英雄與膽小鬼

黏菌原質(zhì)團(tuán)不僅有智能，而且還具有防衛(wèi)體系。黏菌非常害怕寄生蟲在原質(zhì)團(tuán)內(nèi)大量繁殖，便有部分黏菌毅然主動承擔(dān)了警衛(wèi)的作用，即使這項工作在有的時候?qū)λ鼈儊碚f是致命的。這些“警衛(wèi)”被派到原質(zhì)團(tuán)內(nèi)部尋找“罪犯”，發(fā)現(xiàn)寄生蟲細(xì)菌便吞噬它們，然后離開原質(zhì)團(tuán)，與敵人同歸于盡。在器官外，這些勇敢的“衛(wèi)士”會很快因感染或挨餓死去。

為了原質(zhì)團(tuán)集體的成長壯大，黏菌個體還具有這樣的自我犧牲精神。胞囊（可以從中誕生新的一代黏菌）處在特殊的莖稈的頂端，這樣就可以分散到遠(yuǎn)處。而構(gòu)成莖稈的黏菌個體注定要犧牲自己。但是，也不是全部個體都自愿為種群的繁衍而做出犧牲，也有膽小鬼，當(dāng)莖稈開始形成時，它們會相互排斥，為能到達(dá)莖稈的頂部爭先恐后。這一點(diǎn)，顯然不及阿米巴蟲有覺悟。

農(nóng)場與抵抗入侵

狡猾的黏菌不單殺死和吞噬細(xì)菌，為了產(chǎn)生食物還會適當(dāng)保留一些細(xì)菌俘虜，將它們安置在原質(zhì)團(tuán)里，讓它們適當(dāng)繁殖。在袖珍農(nóng)場里，為了提供穩(wěn)定的食物，黏菌不僅將細(xì)菌投放到原質(zhì)團(tuán)里，也會投放到胞囊里，作為珍貴的遺產(chǎn)留給后代食用。

但是，對它的其他親戚卻很不顧情面了。如果其他的黏菌鉆進(jìn)原質(zhì)團(tuán)的內(nèi)部，原質(zhì)團(tuán)的黏菌個體就會分泌出致入侵者于死地的毒素，在兩個晝夜內(nèi)將它們毒死。獲勝的黏菌個體會利用從對手那里獲取的營養(yǎng)品，與自己的其他同伴共同建立另一個原質(zhì)團(tuán)。

計算機(jī)與人造器官

科學(xué)家甚至研制出了由黏菌控制的機(jī)器人。英國南安普敦大學(xué)的生物學(xué)家設(shè)計出六腿機(jī)器人，能夠根據(jù)黏菌發(fā)出的“口令”移動，黏菌就放置在機(jī)器人背上的殼里。在黏菌“小屋”內(nèi)，安置著一些小燈泡，它們與室內(nèi)來回移動的機(jī)器人同步開關(guān)燈光。盒子內(nèi)部的無線電傳感器記錄黏菌如何避光而行，這一信號被傳送到機(jī)器人的腳下。利用光，研究人員可以用黏菌組成生物晶體管，根據(jù)信號放行或阻止電流。英國與德國學(xué)者用它們組裝了一臺計算機(jī)，用來完成最為基本的邏輯運(yùn)算。

在完成某些類型的復(fù)雜題目時，黏菌表現(xiàn)得并不比超級電腦差。比如在一些點(diǎn)之間尋找最短線路。在試驗了幾次不同的走法后，黏菌很快就拒絕走不理想的路線，而總是選擇最佳路線。東安格利亞大學(xué)的研究人員拿出一張大西洋半島的地圖，并將黏菌分別放置在西班牙和葡萄牙中部，并且在標(biāo)有大城市的地方放置麥粒，在湖泊和高山處放置光源以便黏菌偏離它們。致力抵達(dá)食物的原質(zhì)團(tuán)探出突部，它們最終建立的路線與國家公路圖驚人相似。日本北海道大學(xué)利用原質(zhì)團(tuán)在實驗室準(zhǔn)確模仿出東京的鐵路網(wǎng)。須知，東京鐵路系統(tǒng)是世界上最高效、布局最合理的系統(tǒng)之一，黏菌依靠自己團(tuán)隊的聰明才智同樣有效地連接起多個站點(diǎn)。

黏菌是智慧的活生生的案例，它顛覆了我們對傳統(tǒng)智慧生命體的理解。如果弄清什么樣的機(jī)制在控制黏菌的行為，我們也許可以建立新型的人工智能，從而更加理解人類大腦的工作原理。正如日本公立函館未來大學(xué)的學(xué)者中垣俊之所說：“簡單的微生物可以解決一些難題。如果你希望利用這種微生物的智慧，它們是很容易被控制的?！蹦壳?，日本一些研究人員認(rèn)為理解這些原始微生物的行為，將對理解人類智慧是“至關(guān)重要”的，他們“將致力使用真實黏菌來建造生物計算機(jī)，使其信息處理系統(tǒng)非常接近人類大腦”。通過使用黏液作為基礎(chǔ)元素，將引導(dǎo)科學(xué)家建造一種完整的、全新的計算機(jī)系統(tǒng)。

神秘的阿米巴蟲集體

阿米巴蟲是一種肉眼幾乎看不見的原生蟲，只有一個單細(xì)胞，最大的直徑不到0.6厘米。它能從胞漿伸出偽足，借此向各個方向移動，學(xué)術(shù)上稱之為“阿米巴運(yùn)動”，是動物運(yùn)動的最原始形態(tài)。阿米巴蟲常在水底和潮濕的森林土壤中爬行。它吞噬細(xì)菌，每三四小時進(jìn)食一次。別看它只有單細(xì)胞，卻能夠做出人類——這是擁有經(jīng)過10億多個細(xì)胞組織的緩慢進(jìn)化和400萬年同樣緩慢的演變而成就的大腦的物種——才能做出的事。

在阿米巴蟲生活的地方，如果出現(xiàn)食物匱乏，挨餓的阿米巴蟲便開始發(fā)出一種化學(xué)信號，告訴其同類，讓它們到某個中心點(diǎn)集合。不用多長時間，4萬至6萬個阿米巴蟲便圍聚在一起，形成了一個團(tuán)隊。該整體被命名為“格列克斯”，形如一只脫殼的蝸牛。格列克斯以每小時1厘米的速度繼續(xù)轉(zhuǎn)移。

令人費(fèi)解的事發(fā)生了。

這些阿米巴蟲能夠記住它們各自抵達(dá)集合點(diǎn)的先后次序，盡管沒有記憶器官。首批到達(dá)的總是走在隊伍的前頭，帶領(lǐng)大隊人馬前進(jìn)，不忘發(fā)揮向?qū)У淖饔谩Ｈ绻阉鼈冋{(diào)到隊尾，它們會迅速重返隊首。在尋找食物的路途中，要是一無所獲，這些阿米巴蟲就會改變原先的主意，一起投入建造過程——營建酷似高塔上的球體的建筑物。

這是一項偉大的工程，需要明確的分工和專業(yè)的水平，但是你看不到是誰在發(fā)號施令，指揮整個過程的進(jìn)度。阿米巴蟲既無觸覺，也無語言，更無思想意識，它們不可能意識到它們各自所處的空間位置。但是阿米巴蟲仿佛具有這些能力。那些遲到的阿米巴蟲會用它們的軀體筑成基座。在基座上架高的是根莖，是由首先到達(dá)地點(diǎn)的阿米巴蟲構(gòu)成的。最后一批前來報到的阿米巴蟲

便沿著根莖攀登而上，在上方共同形成突出的球囊。還有一部分阿米巴蟲就像馬車?yán)锏某丝湍菢右粋€個鉆進(jìn)球體內(nèi)部，在那里它們開始改變形態(tài)，形成胞囊；接著縮小體積，脫出水分，并分泌一層胞囊膜作為保護(hù)性的外膜，中止自身的新陳代謝，最后變成一丁點(diǎn)大的“種子”。

這些以自己的“血肉之軀”構(gòu)成球狀結(jié)構(gòu)的阿米巴蟲注定是把自己推向死亡，它們會因缺乏食物而很快死去。鉆進(jìn)球體內(nèi)部而形成“種子” 的阿米巴蟲過一段時間后，會因球囊破裂散落下來。假如一陣風(fēng)吹過，它們又可以獲得降落在濕潤土地的機(jī)會，重新復(fù)活過來，重新尋覓食物、分解、圍成團(tuán)隊……

現(xiàn)在，讓我們從人類的眼光來觀察它們的營建活動。打個比方，在某個遙遠(yuǎn)的地方，1萬個年輕人手持五顏六色的帽子沿著操場奔跑，他們正在慶祝他們崇敬的領(lǐng)袖的誕辰。突然他們停下腳步，緊緊地往頭上戴上花帽。此時，由各種不同顏色的帽子組成的一幅精確的肖像展現(xiàn)在人們面前。誰能說以上行為是這些年輕人的本能？很顯然，事前有人擬定表演的計劃，再把肖像切割成1萬個不同顏色的點(diǎn)，然后將一個個年輕人定位，最后讓他們準(zhǔn)備接受時間、地點(diǎn)及帽子顏色的指令。這里的關(guān)鍵在于指令的密碼和傳遞的方式。每個參加者都應(yīng)該記住指令，并且按照指令做出相應(yīng)的行為。

那么阿米巴蟲呢？它們可不懂什么信息學(xué)、控制論以及管理理論。嚴(yán)格地說，在沒有總體計劃、沒有指揮中心、沒有建筑圖紙的情況下，要建造東西是不可能的。人類如此，自然界的其他動物也是如此。眾所周知，阿米巴蟲不會在樹葉上繪畫寫字，在它們的身上壓根兒就沒有目標(biāo)和相互配合的意圖存在。那么，是什么東西在指揮阿米巴蟲的行動呢？阿米巴蟲——它們連大腦都沒有——靠什么接收指揮信號呢？于是又使人想到基因。

理論上講，阿米巴蟲的基因可以記錄必要的信息。與其他動物一樣，它的脫氧核糖核酸是條很長的鏈子。為了把基因密碼譯出并轉(zhuǎn)變?yōu)閯幼?，又要讓每個抵達(dá)集合點(diǎn)的阿米巴蟲能夠接收到信號并據(jù)此確定各自的建筑物坐標(biāo)，必須有什么東西事先擁有這些信號，并且能在同一時刻操縱6萬個阿米巴蟲的行動。那些后來踩著同胞身體攀登而上的阿米巴蟲還得參照三維空間坐標(biāo)的原點(diǎn)來確定它們的方位，以便知道該不該繼續(xù)向上或向左、向右移動。

阿米巴蟲怎么能夠做到這一切呢？在它們的身上沒有測量距離的器官，也無法將不斷變化的情況同計劃進(jìn)行分析比較。科學(xué)家認(rèn)為，這里的原因不在內(nèi)部而在外部，是一個外在因素影響到“全體人員”，在那里存儲著控制每個個體的計劃草案，決定了6萬或更多個體的分工，并根據(jù)未來球囊的直徑和重量決定每個底座的直徑和圓柱的高度。當(dāng)然，以人類目前所知的物理學(xué)解決不了這些問題。任何一種物理場——磁場、重力場、電子場——都存貯不了復(fù)雜的、不斷變化的計劃或形態(tài)。同樣，這些物理場也確定不了事物隨機(jī)應(yīng)變的行為的程序。所以有理由假設(shè)，所謂“本能”是屬于另一空間的東西，它存在于整個宇宙，對所有的阿米巴蟲起作用。這是一種非物質(zhì)的能量，卻很容易使阿米巴蟲讀懂它發(fā)出的指令，并依照指令行動。

延伸閱讀

因環(huán)境變化而變化

周圍環(huán)境的變化，使黏菌從一種生命形態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N生命形態(tài)。當(dāng)土壤濕潤而且食物充足時，黏菌就像個體“阿米巴蟲”一樣生活著。如果環(huán)境條件惡化，黏菌個體就會相互聚集在一起形成一個原質(zhì)團(tuán)，在其上方逐漸發(fā)育成一個胞囊。處在原質(zhì)團(tuán)上方的胞囊可以遠(yuǎn)離惡劣的環(huán)境而散落別處。從胞囊鉆出的單細(xì)胞又可以重新生活。如果條件一直沒見好轉(zhuǎn)，它們就會轉(zhuǎn)變?yōu)橛行苑敝?，其產(chǎn)生的后代黏菌因帶有被重組的基因而具有更強(qiáng)大的適應(yīng)性。

模仿生物

20世紀(jì)80年代中期，工程師企圖復(fù)制出活體“集體智慧”，主要任務(wù)是制造由許多能自己改變位置的相關(guān)簡單部件組成的機(jī)器人。這種機(jī)器人的功能應(yīng)該會按照制造人的需要解答各種不同的問題。為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，組成機(jī)器人的部件需要建立在另一個程序中。今天，實際具有這種潛在功能的機(jī)器人已經(jīng)有了30個。麻省理工學(xué)院制造的機(jī)器人Chain FORM 可以像蛇一樣鉆進(jìn)狹窄的地方，可以變成四肢負(fù)載。但是，目前所有的模塊機(jī)器人都不及昆蟲或黏菌，組成它的模塊自身不能完全獨(dú)立，而且機(jī)器人還需要在一個獨(dú)立的系統(tǒng)求助問題的答案。

超級集團(tuán)

由幾千個簡單個體組合而成超級智能的現(xiàn)象，在生物界并非罕見。單體并不知道確定的目的，僅僅對靠近的地方的直接刺激做出反應(yīng)，卻能完美完成確定的任務(wù)。

螞蟻：螞蟻可以完成復(fù)雜的作業(yè)，比如鋪設(shè)尋覓食物的馬路。根據(jù)前方螞蟻留下的化學(xué)足跡，每只后來的螞蟻都會跟隨其后，結(jié)果很快就形成了行走的路線。螞蟻的腹部末端在接觸地面時能分泌出一種物質(zhì)，被稱為追蹤素，前邊的螞蟻分泌追蹤素，后邊的螞蟻聞到這種氣味，就能緊緊地跟上。這種追蹤素的氣味成了它們前進(jìn)的路標(biāo)。

白蟻：白蟻“超級集團(tuán)”為了占領(lǐng)地盤而相互競爭。戰(zhàn)爭的結(jié)局就是形成了類似納米比亞境內(nèi)著名的仙女圈一樣的圖案。白蟻將自己居住的巢上的草食光，但是它的巢又只能筑在與別的群落的交界處，于是在大地上便形成了有序的圖案。所謂“仙女圈”是指干旱草原地表上成千上萬個植被缺失、土壤裸露的怪圈，其直徑2米至12米不等，四周由高于平均植被高度的野草環(huán)繞。關(guān)于“仙女圈”的形成有多種理論解釋。根據(jù)最新的解釋，認(rèn)為有兩種原因共同作用導(dǎo)致了“仙女圈”的形成。一是由于沙漠水分稀缺，植物通常傾向于聚集在一起來吸收沙土中的水分和營養(yǎng)物質(zhì)，相對較弱的“鄰居”很難與其競爭，因缺乏水分和營養(yǎng)物質(zhì)而死亡并留下一個貧瘠的缺口。二是白蟻等群居動物會擴(kuò)大其“殖民地”向外尋找食物和水，直到它們遇到另一個“殖民地”。作為強(qiáng)大的“殖民地”生物，兩個白蟻群會爭奪“殖民地”，而較弱的白蟻群通常會被消滅。當(dāng)兩個白蟻群勢均力敵時，雙方將陷入僵局，這樣“殖民地”的邊界變得清晰，巢穴的蜂窩狀模式就會顯現(xiàn)。

黃蜂：黃蜂群落中，其復(fù)雜行為僅僅取決于內(nèi)部各自的職位。如果取消各種等級，那么經(jīng)過幾天的無政府狀態(tài)之后，職務(wù)空位又被原來的黃蜂占據(jù)，群體生活又走上正軌。