' g7 A9 y6 R/ q* C" x! Y1 [“溟痕”这个机制实在是太有意思了,初见就觉得似曾相识,打完几关之后突然想起来:3 G. {' v" {) G0 }# L M" n; p% y. d1 J
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嗨,这不正是十来年前火起来的黏液菌跑迷宫问题嘛!
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干脆偏个题,科普一下这个有趣的领域吧hhh* Y8 A- b. G* a) B: R0 |
黏液菌
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黏液菌虽然叫做“菌”,却跟真菌、细菌没什么关系,而是一种胶状的变形虫,它们会破坏酵母菌和面包。目前,生物学家把黏液菌归为原生动物门,这类动物保留着“我们尚未真正理解的一切”。# P2 \; I/ h$ I9 r0 J
黏液菌比它们外表看起来更有智慧。尤其是其中一种被称为“海绵宝宝”的黄色多头绒泡菌(Physarum polycephalum),它们也能记忆、决策、预测变化,能解决迷宫问题、模拟人造运输网络设计、挑选最好的食物。它们能做到所有这些事,但它们却没有大脑,或者说神经系统。这一现象不得不让科学家重新思考,智能的本质究竟是什么?
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一个枯死树干上黏菌的行进路线
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( y4 s9 O6 @: W) K6 X( \; P园丁们经常会在后院里发现黏液菌,这是一种像海绵似的黄色物质,它们附着在垃圾上或腐烂木头上。在野生状态下,多头绒泡菌沿着树叶垃圾寻找食物,并在走过的地方留下黏液。一旦发现细菌、真菌孢子及其他微生物,它们就会包围住猎物并把它们消化掉。 , T! M- Q1 r& T- L o# a
在一般情况下,多头绒泡菌像是由许多个体组成的一个大集体,它们互相合作、寻找食物,但事实上,它们都是作为一个单细胞独自生活的。这一个细胞中包含了数百万的核酸、DNA小液囊、酶和蛋白质,一个细胞就是一个变形专家。 + W/ m0 V8 c, h3 f# r. v; O6 M
多头绒泡菌会呈现不同的形状,这取决于它生长的位置和方式:如果在森林里,它可能长得很胖,变成一个巨大的黄色的球,也可能很不起眼,在树叶下面留下一片芥末似的黄斑;而在实验室培养皿中,它们会沿着琼脂变成薄薄一层,并长出像珊瑚似的漂亮分枝。6 [- y9 L* C! T5 Y! J, c
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向饵料(中)聚拢的黄色多头绒泡菌
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3 [6 u' Q+ _, H9 S0 z) {: X粘液菌路径探索的研究5 R" L$ u9 h8 P
4 v2 N- w- c9 j0 Z- V早在30多年前,生物学家就把黏液菌带进了实验室,研究它们的运动方式,2000年,日本北海道大学的中垣俊之(音译)和三枝哲(音译)等人把一个多头绒泡菌切碎了撒在一个塑料迷宫中,结果发现每一小点都开始生长,去寻找其他同伴,迅速充满了整个迷宫。他们又在迷宫入口和出口处分别放了几块琼脂,4小时后,黏液菌就从那些没有口的死路上撤回了分枝,只沿着两块食物之间的最短路径生长。
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: j/ D. ]8 p# B+ l5 L澳大利亚的雷德小组也发表了论文,揭示黏液菌在环境中是如何辨别方向的,它们所用的方式比人们所想的更高级。当多头绒泡菌沿着迷宫或森林的地面爬行时,会在身后留下半透明的黏液。雷德和同事注意到,寻食黏液菌会避开它已经通过的黏液区域。雷德推测,这种胞外黏液是黏液菌外部化的空间记忆,对它们起着提示作用,以便开拓新的地方。
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9 f1 i7 ^; s. b5 g3 k黏菌迴避已經探索過的無效路徑(圖D)# K' g" M& _7 N0 x6 H
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为了验证这一点,雷德和同事把多头绒泡菌放在培养皿中,并在其前面放一个干燥的醋酸纤维做的U型障碍物,挡在它们和食物之间。黏液菌无法黏在上面,或在上面爬行,只能沿着U型轮廓走才能到达食物。最后,实验中的24个黏液菌有23个都到达了目标。而在第二次实验中,雷德先用黏液菌的胞外黏液把培养皿涂了一层,然后才把黏液菌放进来,结果只有8个找到了食物。 ' f4 @/ l3 T Z8 |
事先涂好的黏液迷惑了它们,让黏液菌无法做标记来区分走过的和没走过的路。雷德认为,多头绒泡菌在迷宫里所依靠的也是黏液,先用黏液标出迷宫入口,然后再记得哪条路是死胡同。
' U4 T: F N7 b/ p$ g/ B模拟交通网络, L" U8 K$ K4 H3 a1 c9 [
3 U# l- T3 \* Y b: e这种在迷宫里辨认方向的本事固然令人赞叹,但黏液菌还能解决更复杂的问题:它们能有效地再现东京地铁网以及加拿大、英国和西班牙的高速路网! ( K! F4 d0 l2 g6 ?) [; V) V) O
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% h- r9 O2 O5 a: c2 A研究人员按照地图,在大城市的位置放了燕麦片等食物,黏液菌先是包围了整个可吃的地方,但几天之内它们就缩小变细,只留下与食物连在一起的黏液分枝,而这些黏液分枝相互连接的方式,几乎与人造的公路、铁路线完全一致,将东京、欧洲和加拿大的大型中心城市连在一起。 1 z0 @. Y$ L8 S) U
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% |$ o; p' i( P6 z! ^3 i$ _8 E+ m% d黏菌擬合的鐵路路線
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8 S2 D. _0 C, a& U( l* {# g这表明这种单细胞的无脑变形虫不会随意地长出枝条,它们就象是个工程师团队,以效率最高的方式在食物之间分布枝条,就像工程师设计铁路那样,让人们能尽可能最快地从一个城市到达另一个城市。黏液菌能考虑地形的因素——这也正是铺设建筑材料所要考虑的——找到两块食物之间的最经济路线,以节省精力。+ P4 P, L, g& b
英格兰布里斯托尔西部大学的安德鲁·爱德玛斯基等人也提出,黏液菌可以帮人们设计未来的铁路建筑!其实,不管是有生命的原生动物还是计算机程序,都是借鉴其决策过程。
L U* X- u2 p5 f( {4 v, W0 f实际上黏菌并没有一开始就算出最简单的路径,它採用的是穷举法,靠伸出去的原质体进行大面积全方位的搜索,利用化学物质标记每条路径,然后只保留其中传输效率最高的路径来连接食物,其馀的路径就“放弃”掉,毕竟这样能最大化地利用食物,增加自己的觅食效率,因此它的记忆能力更像是反覆试错的结果。对每一种生命来说,食物是关键。在演化这场历时悠久的旅途中,每个生命的寻找食物的技能都得到了充分的打磨,才得到我们今天叹为观止的展现。
, x2 Z" C9 \/ G" r/ M. o! f6 @9 j后续研究0 ?0 c% f9 v# ?+ x- v6 f* r8 M+ v! m
% i. J! e; W: n- v8 \. i实际上,粘液菌的路径探索问题到现在还是一个有趣且有众多科研人员参与研究的领域,很多实验结果都非常有趣,包括B站上也有一些生物学的科研同行上传了一些他们的实验录像供大家参考,如果有兴趣,可以戳链接了解了解: |