神奇的粘液菌

章江

大千世界，無奇不有。一些微小生物獨特的生活方式往往有著人類意想不到的科學(xué)行為，粘液菌便是其中的一種。它們在地球上存活了數(shù)億年，具有某種令人難以置信的智慧，進(jìn)化出了應(yīng)對危險環(huán)境的能力。粘液菌是一個由名為原生生物的微生物組成的混雜群體，包括原生質(zhì)粘液菌和細(xì)胞粘液菌兩個主要的種群。

走迷宮 ?游刃有余

日本公立函館未來大學(xué)中垣俊之教授領(lǐng)導(dǎo)的研究團隊發(fā)現(xiàn)，粘液菌會走迷宮。他們設(shè)計了一個郵票大小的迷宮，共有4條長短不一的正確路線。研究人員在迷宮出入口和內(nèi)部放上粘液菌愛吃的瓊脂。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，粘液菌不斷將身體往迷宮各角落擴散，迅速充滿了整個迷宮。4小時內(nèi)就輕而易舉地尋得迷宮的出入通道，并將處于迷宮其他部位的身體收起。8小時后，粘液菌找到走出迷宮的最短路線，收回其他路線中的“觸角”。迷魂“八卦陣”完全沒能阻礙它們原始的貪吃沖動，與此同時，粘液菌還記住了有危險的區(qū)域，避免了光等元素會給自己帶來的傷害。

中垣俊之說：“這種單細(xì)胞生物的信息處理加工能力出乎大多數(shù)人的意料，因為有些任務(wù)連高端計算機和軟件都無法完成。簡單生物可以解決某些難題，如果你想了解智慧的精髓，那么從這種簡單的生物入手更容易?！?/p>

中垣俊之與英國牛津大學(xué)植物科學(xué)系的馬克·弗里克等科學(xué)家們搭建了一個東京一帶的城市群落模型，并模仿日本在太平洋的海岸線搭建了模型的邊界，將粘液菌置于模型中的東京位置，每個大城市則以一塊食物作為標(biāo)志，并以其不喜歡的燈光強度來模仿地形起伏與障礙。粘液菌先以藤蔓狀滋蔓開來，再收歸為“城市”間的管狀通道。這時會發(fā)現(xiàn)，它呈現(xiàn)出的如現(xiàn)代社會錯綜復(fù)雜的“交通系統(tǒng)”，其效率與凝結(jié)無數(shù)人類智慧結(jié)晶的日本交通系統(tǒng)對比居然不相上下。

中垣俊之教授和他的粘液菌迷宮實驗

與擁有中央控制系統(tǒng)的日本交通規(guī)劃不同，粘液菌完全沒有調(diào)控意識，生長擴散僅靠局部判斷。研究人員推斷，它們沒有大腦或神經(jīng)系統(tǒng)，無中央控制，也許是用相當(dāng)簡單的規(guī)則進(jìn)行判斷，運行系統(tǒng)無需事先規(guī)劃，可以隨機適應(yīng)環(huán)境的變化。而所有這些，正是人類在進(jìn)行交通系統(tǒng)設(shè)計時所缺少的。中垣俊之證明了粘液菌具有建立如東京鐵路網(wǎng)這樣的高效運輸網(wǎng)絡(luò)的能力，這項研究使他們獲得了2010年的“搞笑諾貝爾獎”。

弗里克展望道，在完全理解粘液菌搭建交通系統(tǒng)原理的基礎(chǔ)上，科學(xué)家們也許可以建造遠(yuǎn)程傳感器陣列、隨建即連網(wǎng)絡(luò)和無線網(wǎng)狀網(wǎng)等。無線系統(tǒng)在自然災(zāi)害中遭受破壞后，粘液菌的算法模型或許能夠幫助快速計算其他有效的網(wǎng)絡(luò)線路，使得系統(tǒng)維持高效的信號傳輸。

能記憶 ?技高一籌

澳大利亞悉尼大學(xué)復(fù)雜系統(tǒng)生物學(xué)家查理斯·里德教授和他的研究團隊，研究了一種名為“多頭絨泡菌”的粘液菌。事實上它是一種個體尺寸超過約0.09平方米的巨大單細(xì)胞生物集落，內(nèi)部含有數(shù)百萬相同的細(xì)胞。這種粘液菌移動時會留下一層半透明的濃厚粘液，隨后它會根據(jù)這些粘液的路徑來判斷自己是否曾經(jīng)到過這里，避免重復(fù)自己之前走過的路徑。里德把它比作《奇幻森林歷險記》中的面包痕跡或者希臘神話中提修斯用于逃離彌諾陶洛斯迷宮的線團。

為了弄清楚粘液菌是否具備借助某種“外部空間記憶”實現(xiàn)導(dǎo)航的能力，研究團隊對其進(jìn)行了測試。他們將粘液菌置于一個U型容器內(nèi)，在一個未經(jīng)處理的表面，96%的粘液菌可以在設(shè)定的120小時期限內(nèi)，順利地通過容器找到糖水溶液。隨后，科學(xué)家們讓它們事先爬過容器壁，目的是留下粘液痕跡，這樣后來的粘液菌便無法追蹤自己的粘液路徑。結(jié)果在同樣的條件下，僅有大約1/3的粘液菌最終在設(shè)定的時間期限內(nèi)成功穿過容器抵達(dá)了糖水溶液。實驗結(jié)果還顯示，粘液菌能夠識別其它粘液菌留下的粘液痕跡并對此做出反應(yīng)。

“粘液菌擁有神奇的空間記憶能力，正在改變?nèi)藗儗τ谥橇Φ睦斫??！崩锏轮赋觯翱赡茉缙诘牡偷壬镆呀?jīng)具備了記憶外部空間的能力，它們借此來解決和我們的大腦每天所面對的類似問題，這是記憶能力進(jìn)化的開端?！?/p>

英國西英格蘭大學(xué)計算機科學(xué)家安德魯·亞達(dá)馬特茲基發(fā)現(xiàn)，粘液菌在繁殖過程中能夠根據(jù)食物的分布情況，用最有效的方式將所有食物源鏈接起來，形成一張跟我們交通運輸系統(tǒng)相似的食物消化網(wǎng)，堪稱大自然的“杰作”。

利用粘液菌這種異乎尋常的能力，亞達(dá)馬特茲基嘗試模擬不同城市的運輸網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建。他在地球儀上敷上一層瓊脂，再把蓋住海洋的瓊脂切掉，之后根據(jù)遠(yuǎn)近和城市大小，在24個城市點放上燕麥片。通過30多次的重復(fù)試驗，發(fā)現(xiàn)粘液菌在地球儀和地圖上建立的網(wǎng)絡(luò)與實際的運輸網(wǎng)絡(luò)相似。特別是在亞洲，76%的粘液菌傳送食物的路線居然跟中國古代的絲綢之路以及亞洲高速公路高度相似。粘液菌網(wǎng)絡(luò)還具有高效的自修復(fù)性，只要其中一個食物源被拿掉，整個食物網(wǎng)絡(luò)也將根據(jù)之前提到的“最優(yōu)化”原則重新排布。

科學(xué)家認(rèn)為，除了物流外，粘液菌網(wǎng)絡(luò)對電子領(lǐng)域同樣有深遠(yuǎn)的啟示。亞達(dá)馬特茲基與德國科學(xué)家特蕾莎·舒伯特的最新研究表明，粘液菌在繁殖過程伸出的觸管能夠吸收環(huán)境中的物質(zhì)。例如研究人員放置了兩種顏色的染料，粘液菌特有的系統(tǒng)會將這兩種顏色運送到整塊網(wǎng)絡(luò)的其他分支上，最后轉(zhuǎn)化成第三種顏色。整個工作原理就像電腦的邏輯運算一樣擁有輸入和輸出機制，整塊粘液菌網(wǎng)絡(luò)如同一塊電路邏輯板。

“我對利用粘液菌創(chuàng)建生物計算機的研究十分感興趣，因為它的信息處理系統(tǒng)與人類大腦的信息處理系統(tǒng)十分接近?！比毡緢斡窨h理化學(xué)研究所的研究員青野正秀展望說，“以這種原理為基礎(chǔ)，科學(xué)家可能會研制出全新的生物計算機。”

粘液菌創(chuàng)建起一個能夠標(biāo)注出存在危險信號的網(wǎng)絡(luò)，解決了電腦都處理不了的導(dǎo)航難題，該網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)建的原理是研發(fā)新一代生物計算機的關(guān)鍵。科學(xué)家因此認(rèn)為，它們可能成為設(shè)計新一代生物計算機的關(guān)鍵參考。“以粘液菌為契機，也許人類未來對‘電路板的概念會因此而改寫，工程師將設(shè)計出一種以生物為基礎(chǔ)的‘柔軟電腦?！眮嗊_(dá)馬特茲基指出，“未來的電腦很有可能并不像現(xiàn)在這樣冰冷，有朝一日它會成為自成長且具有自修復(fù)性的運算設(shè)備。”

會學(xué)習(xí) ?兼收并蓄

世界上有900多種粘液菌，有些多數(shù)時候都是以單細(xì)胞形態(tài)存在的，但偶爾它們會在食物匱乏時聚集在一起，進(jìn)行獵食和繁殖。而其他所謂的合胞體粘液菌則擁有一個巨大的細(xì)胞，其中含有數(shù)千個原子核。不同種類的粘液菌喜好不同，有的不喜歡咖啡因或奎寧，有的不喜歡食鹽或強光。但它們可以通過學(xué)習(xí)意識到有這些物質(zhì)的“禁區(qū)”似乎并沒有那么危險，這一學(xué)習(xí)過程被稱為“習(xí)慣化”。

法國科學(xué)研究中心的生物學(xué)家奧德麗·杜蘇托爾領(lǐng)導(dǎo)的研究團隊，教會了粘液菌無視和回避不喜歡的物質(zhì)，即使讓它們從生理上保持破壞性的強制休眠一年后，它們?nèi)匀荒苡浀弥傲?xí)得的行為。更有意思的是，粘液菌能夠?qū)⒆约韩@得的記憶從一個細(xì)胞轉(zhuǎn)移給另一個細(xì)胞。

與復(fù)雜的多細(xì)胞生物不同，粘液菌能被分割成很多片。而它們一旦被放在一起，又會產(chǎn)生黏合，成為一個單一的大型粘液菌。杜蘇托爾將粘液菌切成了4000片，使用食鹽來訓(xùn)練其中一半的粘液菌，盡管食鹽它們也不喜歡。之后研究人員以各種組合將習(xí)慣了食鹽的與沒有習(xí)慣食鹽的粘液菌混合在一起，然后測試了新的組合物的特點。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)新的組合物中有一個“習(xí)慣化”了的粘液菌時，那么整個組合物都會顯示出“習(xí)慣化”的特征。一個粘液菌會將這種習(xí)慣化反應(yīng)轉(zhuǎn)移給另一個粘液菌。過了3個小時（這是細(xì)胞質(zhì)靜脈形成的時間），研究人員將這些粘液菌再分成兩部分，發(fā)現(xiàn)這兩部分仍然顯示了“習(xí)慣化”特征，這說明它們不會因此忘記學(xué)過的東西。