困扰几代工程师的难题,这群单细胞生物用26小时解决了

作者: Huz

来源: 果壳少年

发布日期: 2018-08-26

多头绒泡菌(PP菌)是一种单细胞生物,能够解决复杂的迷宫问题,甚至能模拟东京铁路线路图,显示出惊人的决策能力和计算潜力。

我们往往会用“单细胞”来形容那些头脑简单的人,但有种单细胞生物可是吊打人类的逆天存在。了解了它们的故事,你会对自己的物种属性都产生怀疑的。这种生物叫做多头绒泡菌(Physarum polycephalum,简称PP菌),是一种黏菌。它们是巨大的单细胞生物,含有几百万个细胞核,你也可以叫它们史莱姆。在生长期,PP菌为无细胞壁的原生质团,它不断向外生长以寻找食物,会形成原生质“管道”。

管道会周期性地收缩,促进原生质的流动,从而向外扩张。长久以来,这个PP菌的表现还只能算是平平无奇,直到有一天,研究人员突发奇想用它来走迷宫,这一走,就走出了个大发现。科学家在迷宫出入口放上食物,并将PP菌放在入口。它首先填满迷宫,走到死路上的原生质团收缩,剩下的原生质形成了连接入口和出口路径。迷宫设计成有多组解,但是PP菌总会选择明显更短的路径。这一研究成果获得了2008年搞笑诺贝尔奖认知科学奖。

作为没有神经大脑的单细胞, PP菌的探路过程并不复杂。它首先会自由探索,并在经过的地方留下一层黏液,这样下次它就不会走自己走过的路了。当探索失败之后,黏菌会继续开辟新路径,直到解开迷宫为止。在食物刺激下,PP菌会增加管道的收缩幅度,导致管道内的原生质流速增加。远路内的流速慢于近路,管道的直径会缩小。一段时间后,远路上的管道就会消失,原生质集中到最短路径上。

走迷宫什么的,实在有点大材小用了,科学家打算用东京铁路线路图来刁难刁难它。他们用局部光照模拟了东京附近的海岸线和地形,并在对应站点的位置放上食物,利用PP菌的趋食性和避光性模拟了东京的铁路线路图。东京铁路堪称世界上最高效、设计最合理的铁路系统之一,凝结了几代工程师的心血。但是PP菌完成这一任务只用了26小时。而且PP菌设计的线路图能以更低的成本实现和实际线路几乎相同的运输效率。

对PP菌而言,糖含量过高的食物会杀死它们,蛋白质:糖=2:1的食物最为合适。如果给PP菌提供不同营养成分的食物,它最后选择的食物的总成分总是和最佳的比例相符。也就是说PP菌会配置健康食谱。PP菌利用身体各处摄取营养的信息做出决策的形式,其实有点类似于大脑。这一特性可能会让人类对大脑或生物决策的研究更加简单直观。最为惊人的是,这个单细胞还能控制机器人。

科学家设计了一个通过电路板控制的六腿机器人,电路板上封印着一些PP菌。机器人受到的光照会反馈给PP菌,PP菌的避光运动会通过电路板反馈给机器人,这样就可以驱动这个机器人行走好几米。科学家将PP菌置于一堆微电极上,撒上食物并施加光照。PP菌运动时接触电极,从而产生电信号。如果把这些电信号转换成声音,再通过表情机器人复现一下,你大概就能读懂它想表达的情绪了。

未来,PP菌还会应用在更多高端场景,有科学家认为PP菌的觅食行为可看作一次计算:数据是有利和有害条件的空间分布,输出结果是PP菌原生质管道网络的结构。根据这一理论人们提出了粘菌机(Physarum machines)的概念,希望直接利用PP菌制造计算机。

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