微生物可以用來(lái)設(shè)計(jì)交通路網(wǎng)？

張江

你相信嗎？有一種微生物，在它覓食的過(guò)程中，可以設(shè)計(jì)出日本東京附近城市的交通路網(wǎng)。

有人會(huì)說(shuō)，這不可能。想想看，人類(lèi)工程師要完成一個(gè)復(fù)雜路網(wǎng)的設(shè)計(jì)，都要經(jīng)過(guò)很多年的培訓(xùn)。而且，東京市軌道交通系統(tǒng)的運(yùn)輸效率之高，在全世界大都市中都是典范。微生物怎么可能做到呢？

讓我給你講講。這種微生物叫黏菌。它在平時(shí)可不太招人喜歡，黏糊糊的，就像一大攤鼻涕。黏菌平時(shí)是作為一個(gè)整體生活的，但在饑餓的時(shí)候，會(huì)拆解成一個(gè)個(gè)單細(xì)胞生物。

這些單細(xì)胞生物叫阿米巴蟲(chóng)，它們每一個(gè)都可以獨(dú)立出去覓食。一旦阿米巴蟲(chóng)找到了食物，它們就會(huì)修建起一條條管道，給其他伙伴輸送食物。如果在好幾個(gè)地方都找到了食物，那它們修建的管道就可以把各個(gè)食物點(diǎn)相互連通到一起，形成一個(gè)食物輸送網(wǎng)絡(luò)。

2008年，日本東京大學(xué)的實(shí)驗(yàn)小組就利用黏菌進(jìn)行了這樣一個(gè)實(shí)驗(yàn)。

他們先把整個(gè)東京市以及周邊36個(gè)城市的地圖，等比例地濃縮進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的培養(yǎng)皿中，在東京周邊的城市上，放上黏菌愛(ài)吃的食物。然后，他們把一攤黏糊糊的黏菌，放在東京市的位置上。接著，實(shí)驗(yàn)人員打開(kāi)一個(gè)微縮攝像頭，拍攝著培養(yǎng)皿，就這么放著不管了。

一天多過(guò)去，當(dāng)實(shí)驗(yàn)人員再次打開(kāi)培養(yǎng)皿的時(shí)候，他們發(fā)現(xiàn)，一張完整的交通網(wǎng)絡(luò)剛好把周?chē)膸讉€(gè)城市，和中心的東京市連通到了一起。

攝像頭忠實(shí)記錄了黏菌是怎么修建交通路網(wǎng)的。

在最初的8小時(shí)里，黏菌一直都在攻城略地，修建管道網(wǎng)絡(luò)，觸達(dá)越來(lái)越多的食物點(diǎn)。這時(shí)的網(wǎng)絡(luò)又細(xì)又密，很像我們的毛細(xì)血管。

但是，11小時(shí)以后，黏菌開(kāi)始優(yōu)化這些管道網(wǎng)絡(luò)了。大量的毛細(xì)管道消失，少數(shù)管道變粗、變清晰。

26小時(shí)后，網(wǎng)絡(luò)基本定型。實(shí)驗(yàn)人員把這個(gè)網(wǎng)絡(luò)輸入電腦中，驚訝地發(fā)現(xiàn)，這個(gè)網(wǎng)絡(luò)在輸運(yùn)效率方面的表現(xiàn)，竟然毫不遜色于人類(lèi)設(shè)計(jì)的現(xiàn)代東京交通網(wǎng)絡(luò)！

黏菌是怎樣做到的呢？

科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，黏菌之所以能夠?qū)φ麄€(gè)管道網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行精煉、優(yōu)化，秘密在于兩點(diǎn)。

一個(gè)是管道端口的壓力。黏菌的聚集會(huì)對(duì)管道的端口產(chǎn)生壓力，這種壓力會(huì)有節(jié)律地把食物一點(diǎn)點(diǎn)地?cái)D壓到管道之中，讓它在管道中緩慢蠕動(dòng)。

第二點(diǎn)是，黏菌修建的管道是一種類(lèi)似于果凍的凝膠物質(zhì)，它可以伸縮。

有了這兩條機(jī)制，想象一下，黏菌聚集越多，壓力就越大，壓力越大，食物的流量就越大，管道就會(huì)變粗。反之，黏菌聚集少，壓力小，食物少，管道就會(huì)變細(xì)，直至消失。

而如果連接一個(gè)食物源的管道有兩條，但是一條長(zhǎng)，一條短。在同樣的壓力下，短道就會(huì)有更大的輸運(yùn)流量，大流量無(wú)疑又會(huì)進(jìn)一步讓管道更粗……

就這樣，兩條管道最初一點(diǎn)點(diǎn)的長(zhǎng)度差異，被不斷放大。從整體上看，這就表現(xiàn)為整個(gè)管道網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化了。

其實(shí)這就是一種正反饋機(jī)制。正是它的存在，才讓阿米巴蟲(chóng)僅僅通過(guò)局部的相互作用，就能完成看起來(lái)不可能的“設(shè)計(jì)最優(yōu)路網(wǎng)”的任務(wù)。

在這個(gè)實(shí)驗(yàn)以后，越來(lái)越多的實(shí)驗(yàn)室開(kāi)始重現(xiàn)這個(gè)過(guò)程，爭(zhēng)相讓阿米巴蟲(chóng)幫助人類(lèi)設(shè)計(jì)師找到連接哥本哈根、首爾或者北京附近城市的高效交通路網(wǎng)。

再進(jìn)一步，人類(lèi)還利用它來(lái)解決看起來(lái)完全不同的問(wèn)題。2018年，NASA，也就是美國(guó)國(guó)家航空航天局的一群科學(xué)家，居然用黏菌的涌現(xiàn)規(guī)律，去發(fā)現(xiàn)宇宙星系間的暗物質(zhì)。暗物質(zhì)這種東西看不見(jiàn)摸不著，也基本不和普通物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)。怎么利用黏菌來(lái)發(fā)現(xiàn)呢？

原來(lái)，科學(xué)家們懷疑，宇宙間的暗物質(zhì)會(huì)像管道網(wǎng)絡(luò)一樣，把宇宙中的各個(gè)星系相互連接在一起。于是，他們想了一個(gè)辦法，利用黏菌在目前預(yù)測(cè)的宇宙模型上，爬行出這個(gè)暗物質(zhì)管道網(wǎng)絡(luò)。

只不過(guò)這一次，科學(xué)家沒(méi)用真實(shí)的黏菌，而是把它的相互作用規(guī)則，用電腦程序模擬出來(lái)，形成了“黏菌算法”。結(jié)果，他們模擬出的網(wǎng)絡(luò)，和我們目前已知的一些暗物質(zhì)分布吻合得很好。

（摘自“羅輯思維”微信公眾號(hào)，西米鹿圖）