单细胞竟会走迷宫、规划交通路线,这种难以归类的生物重定义了智能

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  在电子游戏的一般套路设定下,蠢萌的史莱姆总是那个最低级的怪物。

  它们几乎没有智商可言,攻击手段单一且总是以动技能著称,正所谓“烂泥扶不上壁”。

  

  而纵观各个类型的史莱姆,也绝大多数是以一种不规则黏液的低端形态出现。

  此外,史莱姆(Slime)的英语原意,本来指的就是烂泥或动物分泌出来的粘稠液体。

  虽然这一切都让人首先联想起鼻涕虫但现实世界里的“史莱姆”,可远这么简单。

  

  史莱姆的原型生物,是一种我们不太常见的生物——黏菌(Slime mold)

  它在自然界的定位,就能极其诡异来形容。

  因为光是考虑“要将它们划分为哪一类生物”,生物学家就头痛了很久。

  首先,黏菌是真核生物,并非什么粘液细菌。

  而它们的一生,也共有两个截然不同的形态

  

  在生长期或营养期,它们为裸露的无细胞壁的原生质团,也称为“变形体阶段”。

  这一阶段的营养结构、运动和摄食模式,都与变形虫等原生动物相似。

  因为主动运动摄食是动物才有的特性,所以有的生物学家认为,他们应该属于原生动物。

  不过,与原生动物不同的是,黏菌拥有的“集体意识”是原生动物不能比拟的。

  当周围食物短缺时,它们就会发出信号召唤周围的黏菌逐渐聚拢在一起。

  这样黏菌们就慢慢合体成了一大团“史莱姆”,协作运动将周围的食物收入囊中。

  

  然而一到繁殖期,它们又换了种形态,表现得更像真菌。

  这一阶段也称为“子实体阶段”,黏菌会慢慢长成蘑菇型,并逐渐变硬、变干。

  最后,无数具有纤维质细胞壁的孢子就会诞生,进行有性繁殖。

  因此,另一部分生物学家则认为应将黏菌视为一种真菌。

  

  未成熟的子实体阶段

  所以到后来,生物学家只能将这“四不像”生物,直接归为原生生物界(Protist),属于黏菌门。

  分类学统共也就五个界,所以也有人将这样的分类形容为,“专门用于我们并不真正了解的一切”

  虽然笼统,但至少不会出错。

  但他们最奇异的地方还不在这里。

  因为作为一种单细胞生物,它们表现出来的智慧才是让人难以想象的。

  

  三十多年前,生物学家首次将黏菌带进实验室时,就发现其运动方式的与众不同了。

  它们不但会走迷宫有学习能力,甚至还能模拟人造交通网络布局

  只需要花几小时,它们就能实现一堆顶级工程师几十年才是完成的事,被喻为“世上最小的道路规划师”

  而这一切,竟全都建立在这坨史莱姆没有神经系统、没有大脑的前提下

  

  黄色黏菌在攻城掠地

  黏菌的智慧首先得到科学们的关注,是从日本的一个著名的迷宫实验开始的。

  2000年,Nakagaki等科学家们就设置了这么一种有趣的玩法。

  他们将黏菌培养在一个在普通迷宫中,而迷宫的起点和终点处,都放了一些燕麦。

  因为在实验室离,燕麦正是黏菌们最喜爱的食物。

  而迷宫中,共有4条长短不一的路线,可以连接到这两个食物源。

  

  实验开始,研究员发现黏菌会伸展自己的细胞质,覆盖住几乎整个迷宫平面。

  而这迷魂八卦阵,也完全没能阻碍它们原始的“贪吃”冲动。

  只要发现了食物,它们就开始慢慢缩回多余的部分,最后只剩下最短的路径。

  无论重复多少次实验,黏菌们都像商量好了似的,总是毫不犹豫地选出了那条消耗体力最少、又能获得食物的道路。

  

  AG为起点和终点,白线为最短路径

  如果你觉得会走迷宫还不算厉害,不要紧,它们还有更强的看家本领。

  因为比迷宫复杂上无数倍的路况,都难不倒它们找出“最优解”。

  有了这个实验基础后,同一批研究员则在2004年,换了一种方式考验这些黏菌。

  他们打算在自由的平面上放置多个食物源,想观察这些黏菌是否还能找出觅食的最优路径。

  

  最终,黏菌果然不负众望。它们连接各点所形成的网络,几乎就是工程里的最佳化路径。

  别以为找到最佳化路径很简单,其中可蕴含着的极其复杂的组合优化问题。

  其实光是三个点之间取最优路径,就已经能让人纠结好一阵子了。

  想象一下自己就是那坨史莱姆,那些让你垂涎欲滴的麦片正摆在ABC三点上。

  长远来看,你应该建立怎么样的线路,才能确保消耗最少的能量,又能吃全这些麦片呢?

  

  黄色为人字形线路,黑色为环形线路

  想必大家已经知道了这是中学时见过的,将三点连通求距离之和最小的问题

  而相信反应快的同学也应该看出,只需要在ABC三点中间取一点连接三地,形成的人字型线路就是最短的。

  但问题是,这形成的人字型路线,只要随便断开一路,就等同于有一块麦片吃不到了。

  而考虑到这种情况,我们就得选择换一种连通法才更合理。

  如把这ABC三点直接连起来,形成一种环形的线路

  这样虽然距离是长了点,但就算一条线路断了,另外两条线依然能连接三点,不至于失去任何一颗燕麦。

  

  其实人字路线对应的便是求“斯坦纳树问题”的解,即连接各点所需的最短路径环。

  而形线路对应的则是“旅行商问题”,要找出行经各点回到原位置最快的方法。

  若再将原本3个点,推广到4、5、6...或n个点,问题的复杂程度将以指数形式增加。

  所以我们不难想象,在现实世界中设计一个交通网络到底得有多困难。

  而黏菌真正厉害的地方是,它们能综合考虑各方面的情况。

  它们所要找寻的不是最短的,而是最优的。

  

  Nakagaki

  在2004年,Nakagaki及其团队在实验室中,就用最高7个食物源,验证了黏菌的道路规划能力。

  研究员经过统计分析表明,黏菌规划的路线几乎满足智能网络的多重要求,是“旅行商问题”或“斯坦纳树问题”所寻求的最佳化路径。

  不过,在这7个食物源上铺路,在黏菌看来还真的是个小CASE了。

  因为科学家很快就异想天开地,用黏菌模拟出了整个日本东京地区的铁路网。

  

  东京铁路系统,是世界上最高效、且布局最合理的系统之一。

  就算在许多经验老道的工程师看来,也得耗费不少脑细胞才能设计出来。

  然而黏菌这种根本没有脑袋的单细胞生物,只需要几十小时疯狂生长,就能重复顶级设计师们几十年的心血。

  首先,研究员依照东京周边的轮廓打造出了一个大盘子,用以限制黏菌的活动范围。

  此外,根据黏菌的避光特性,用局部光照来模拟周围的海岸线和地形。

  因为真实的铁路网络,就是会受到山丘、湖泊或地势的阻碍。

  

  灰度越高代表光强度越弱

  接着,一块最大块的燕麦便被投放在容器中央,相当于东京站的位置。

  其他的小块燕麦,则被分散地放在容器内,对应东京铁路中的35个车站。

  这样架设完毕后,就基本能模拟出该地区的实际情况了。

  接下来,就看黏菌们的表现了。

  

  起初,黏菌会尽量铺满平面,不断对新领地加以探索。

  但十几个小时后,黏菌仿佛略有所悟一样,开始优化布局。

  例如燕麦之间的管道会不断强化,而一些用途不大的路径则会逐渐缩回消失。

  大约过了26个小时,这些黏菌就形成了一个与东京地区铁路网络高度相似的脉络。这几乎就是东京铁路的翻版,甚至比东京铁路更富有弹性。

  

  除此之外,黏菌网络还具有高效的自我修复性。只要将其中一个食物源拿掉,整个实务网络将会重新根据之前的“最优化”原则重新排布。

  所以科学家也认为,黏菌的这种智能性能应用在运输网络的设计,以及复杂的大国模模拟实验中。

  这个实验结果,就发表于2010年的Scinece期刊上。

  也在同一年,这个成就也让这个研究团队获得该年度的“搞笑诺贝尔-运输规划奖”。

  

  别看得的是搞笑诺贝尔奖,但其背后确实能引发着我们人类深思。

  毕竟这种计算最合理路径的本领,甚至连计算机都难以超越。

  只是到目前为止,无脑无神经的黏菌究竟是怎么完成这智能性网络的,仍然是一个未解之谜。

  而21世纪以来,它们也受到仿生学和人工智能的极大关注。

  正因为“无脑”却又表现出的智慧,人们才想这会不会是打开未来人工智能大门关键的一把钥匙。

  

  《异星觉醒》中的外星人幼年形态神似黏菌的子实体阶段

  最后不得不说,2017年的人气科幻片《异星觉醒》中的外星人卡尔文,灵感塑造正是来自于充满智慧的黏菌——就算没有脑子,它的智力仍然碾压人类。

  所以,以后就不要再用单细胞或史莱姆,来形容别人蠢了。

  因为这种表述,也有可能是在夸他。

  *参考资料

  Slime mold.Wikipedia.2018.04.01

  麦格.会动的口香糖.小哥白尼·野生动物.2010.06.07

  Toshiyuki Nakagaki, Hiroyasu Yamada & gota Tóth.Intelligence: Maze-solving by an amoeboid organism.Nature.2000.09.28.

  Toshiyuki Nakagaki,HiroyasuYamada,MasahikoHara.Smart network solutions in an amoeboid organism.Science direct.2004.01.01.

  Atsushi Tero1,2, Seiji Takagi1, Tetsu Saigusa3, Kentaro Ito1, Dan P.Bebber4, Mark D. Fricker.Rules for Biologically Inspired Adaptive Network Design.2010.01.22

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  作者系网易新闻·网易号“各有态度”签约作者

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