黏菌和阿米巴蟲的團隊精神

柯永亮

黏菌的集體智慧

地球上存在著已有幾百萬年歷史的理性生物，但是，這里絕不是指智人的智慧，而是指由幾千個不長腦袋的微小生物個體——黏菌——組成的群體。黏菌是一種歷史悠久的微生物，其進化歷史可追溯至數億年前，在其進化過程中逐步形成了適應環境求生存的能力。是的，就是這種原生物，在抱團的時候，其工作能力遠超一些先進計算機和軟件，能夠解答數學問題，并且繪制地圖。這是怎么一回事呢？

個人與集體

人們對黏菌不甚了解，光知道這是一種單細胞生物，有點像真菌。單個黏菌就像阿米巴蟲（黏菌是變形蟲門錐足亞門黏菌下門的生物總稱，和阿米巴蟲是近親），緩慢移動以細菌為食。當食物缺乏時，許多這樣的“阿米巴蟲”便緩慢聚集到一起，形成相當大的各種不同形態的團體，開始轉移地點，去尋找食物謀生。這樣的多細胞形成物被稱為生物變形體，也叫原質團，含有上萬個黏菌個體。

就這樣，在形成原質團的過程中，黏菌群體成為一個智能器官：確定食物的方向，并向這一側伸出突部或朝這一方向移動。黏菌避光趨暗，如果已經形成的變形體所處的位置非常亮，它就會朝暗處爬行。黏菌個體分泌黏性蛋白，這種黏性蛋白的分泌改變了原質團內部的“黏性”，使原質團個體數量分布變得不均勻，在原質團“鼻子” 部位細胞數量變得稀少，而在“尾部”變得稠密，這樣促使細胞群體向上突起。這么多的個體細胞的變動如何保持默契，如何相互配合黏性的分泌，至今還是個謎。

原質團可以覓食，甚至能在迷宮里覓食，就像一臺神奇的具有超凡能力的“終結” 號機器人。它能夠沿著迷宮走道正確爬行找到它們喜歡的、處在最偏僻角落的燕麥粒。黏菌在原質團的形態下能夠記住迷宮內的岔口，不會停滯不前，任何時候也不會走重復的路線。之所以會這樣，是因為黏菌能夠捕捉氣味的化學感受。這也是它“記憶”的基礎：在探查路徑的過程中，黏菌會留下化學足跡，再次感覺到這種足跡時，它就會避開這條路。在一個原質團曾經走過的迷宮內，其他原質團也能夠避開這些記號，以免攪亂前輩留下的化學信息。在這一實驗中，黏菌群會伸展自己的細胞質并覆蓋住整個迷宮平面，直至發現食物；然后縮回多余的部分只剩下最短路徑，使黏菌在迷宮路徑中最直接有效地尋找到食物。

學生與老師

為了一個遠大的目標，黏菌學會了完成并非每個個體都能熟練掌握的極其不可思議的事情。法國圖盧茲大學學者讓一群饑餓的黏菌經過灑了咖啡或鹽的“小橋”。這兩種物質都是不會引起原質團興趣的，于是原質團避開“小橋”走。但在接下來的實驗中，越來越多的黏菌估算出了繞過令它們厭惡的東西抵達食物點要多花費好幾分鐘，便強忍著不快選擇越過“小橋”去尋找食物。

并且，如果將已經與“咖啡（或鹽）橋”打過交道原質團，引進到未接受過這種經歷的黏菌群體中，使兩者融為一體，那么新形成的“超級智能”團體，不用再積累經驗，就能毫不畏懼地越過“小橋”朝著食物方向爬行。如果將這兩組黏菌再次隔開，那么之前沒有經驗的原質團，就會從“學生”變成“老師”，再去“開導”其他原質團。研究人員弄不清黏菌是如何傳授知識的，只推測很可能有一種神經遞質參與其中。

理想與非理想

黏菌的這種集體意識降低了可能的危險和非理智的行為。悉尼大學的生物學家做了這樣一個實驗：他們在黑暗的角落投放少許麥粒，同時在亮處投放多些的麥粒。原質團一向避光趨暗，但是在這個實驗中，它們中有50%選擇了數量多的食物，也就是朝潛在危險的亮處爬行。

在接下來的實驗中，研究人員添加了暗處的麥粒分量，但吃過虧的黏菌變形體并不領情，還是繼續朝亮處覓食。只是，它們的行為會因前面實驗的兩組變形體的行為改變而改變：80%的原質團爬向暗處不那么容易吃飽的食物；其余20%為了多些熱量忍受亮光的刺激向光而行。這是非理性的決定：第三組變形體不改變其他兩組的選擇。人類在同樣的情況下，也會做出同樣的選擇，獲取的不是絕對的而是相對的物的價值。顯然，非理性乃是任何智慧的本性，甚至是集體智慧的本性，黏菌的原質團也不例外。

英雄與膽小鬼

黏菌原質團不僅有智能，而且還具有防衛體系。黏菌非常害怕寄生蟲在原質團內大量繁殖，便有部分黏菌毅然主動承擔了警衛的作用，即使這項工作在有的時候對它們來說是致命的。這些“警衛”被派到原質團內部尋找“罪犯”，發現寄生蟲細菌便吞噬它們，然后離開原質團，與敵人同歸于盡。在器官外，這些勇敢的“衛士”會很快因感染或挨餓死去。

為了原質團集體的成長壯大，黏菌個體還具有這樣的自我犧牲精神。胞囊（可以從中誕生新的一代黏菌）處在特殊的莖稈的頂端，這樣就可以分散到遠處。而構成莖稈的黏菌個體注定要犧牲自己。但是，也不是全部個體都自愿為種群的繁衍而做出犧牲，也有膽小鬼，當莖稈開始形成時，它們會相互排斥，為能到達莖稈的頂部爭先恐后。這一點，顯然不及阿米巴蟲有覺悟。

農場與抵抗入侵

狡猾的黏菌不單殺死和吞噬細菌，為了產生食物還會適當保留一些細菌俘虜，將它們安置在原質團里，讓它們適當繁殖。在袖珍農場里，為了提供穩定的食物，黏菌不僅將細菌投放到原質團里，也會投放到胞囊里，作為珍貴的遺產留給后代食用。

但是，對它的其他親戚卻很不顧情面了。如果其他的黏菌鉆進原質團的內部，原質團的黏菌個體就會分泌出致入侵者于死地的毒素，在兩個晝夜內將它們毒死。獲勝的黏菌個體會利用從對手那里獲取的營養品，與自己的其他同伴共同建立另一個原質團。

計算機與人造器官

科學家甚至研制出了由黏菌控制的機器人。英國南安普敦大學的生物學家設計出六腿機器人，能夠根據黏菌發出的“口令”移動，黏菌就放置在機器人背上的殼里。在黏菌“小屋”內，安置著一些小燈泡，它們與室內來回移動的機器人同步開關燈光。盒子內部的無線電傳感器記錄黏菌如何避光而行，這一信號被傳送到機器人的腳下。利用光，研究人員可以用黏菌組成生物晶體管，根據信號放行或阻止電流。英國與德國學者用它們組裝了一臺計算機，用來完成最為基本的邏輯運算。

在完成某些類型的復雜題目時，黏菌表現得并不比超級電腦差。比如在一些點之間尋找最短線路。在試驗了幾次不同的走法后，黏菌很快就拒絕走不理想的路線，而總是選擇最佳路線。東安格利亞大學的研究人員拿出一張大西洋半島的地圖，并將黏菌分別放置在西班牙和葡萄牙中部，并且在標有大城市的地方放置麥粒，在湖泊和高山處放置光源以便黏菌偏離它們。致力抵達食物的原質團探出突部，它們最終建立的路線與國家公路圖驚人相似。日本北海道大學利用原質團在實驗室準確模仿出東京的鐵路網。須知，東京鐵路系統是世界上最高效、布局最合理的系統之一，黏菌依靠自己團隊的聰明才智同樣有效地連接起多個站點。

黏菌是智慧的活生生的案例，它顛覆了我們對傳統智慧生命體的理解。如果弄清什么樣的機制在控制黏菌的行為，我們也許可以建立新型的人工智能，從而更加理解人類大腦的工作原理。正如日本公立函館未來大學的學者中垣俊之所說：“簡單的微生物可以解決一些難題。如果你希望利用這種微生物的智慧，它們是很容易被控制的?！蹦壳?，日本一些研究人員認為理解這些原始微生物的行為，將對理解人類智慧是“至關重要”的，他們“將致力使用真實黏菌來建造生物計算機，使其信息處理系統非常接近人類大腦”。通過使用黏液作為基礎元素，將引導科學家建造一種完整的、全新的計算機系統。

神秘的阿米巴蟲集體

阿米巴蟲是一種肉眼幾乎看不見的原生蟲，只有一個單細胞，最大的直徑不到0.6厘米。它能從胞漿伸出偽足，借此向各個方向移動，學術上稱之為“阿米巴運動”，是動物運動的最原始形態。阿米巴蟲常在水底和潮濕的森林土壤中爬行。它吞噬細菌，每三四小時進食一次。別看它只有單細胞，卻能夠做出人類——這是擁有經過10億多個細胞組織的緩慢進化和400萬年同樣緩慢的演變而成就的大腦的物種——才能做出的事。

在阿米巴蟲生活的地方，如果出現食物匱乏，挨餓的阿米巴蟲便開始發出一種化學信號，告訴其同類，讓它們到某個中心點集合。不用多長時間，4萬至6萬個阿米巴蟲便圍聚在一起，形成了一個團隊。該整體被命名為“格列克斯”，形如一只脫殼的蝸牛。格列克斯以每小時1厘米的速度繼續轉移。

令人費解的事發生了。

這些阿米巴蟲能夠記住它們各自抵達集合點的先后次序，盡管沒有記憶器官。首批到達的總是走在隊伍的前頭，帶領大隊人馬前進，不忘發揮向導的作用。如果把它們調到隊尾，它們會迅速重返隊首。在尋找食物的路途中，要是一無所獲，這些阿米巴蟲就會改變原先的主意，一起投入建造過程——營建酷似高塔上的球體的建筑物。

這是一項偉大的工程，需要明確的分工和專業的水平，但是你看不到是誰在發號施令，指揮整個過程的進度。阿米巴蟲既無觸覺，也無語言，更無思想意識，它們不可能意識到它們各自所處的空間位置。但是阿米巴蟲仿佛具有這些能力。那些遲到的阿米巴蟲會用它們的軀體筑成基座。在基座上架高的是根莖，是由首先到達地點的阿米巴蟲構成的。最后一批前來報到的阿米巴蟲

便沿著根莖攀登而上，在上方共同形成突出的球囊。還有一部分阿米巴蟲就像馬車里的乘客那樣一個個鉆進球體內部，在那里它們開始改變形態，形成胞囊；接著縮小體積，脫出水分，并分泌一層胞囊膜作為保護性的外膜，中止自身的新陳代謝，最后變成一丁點大的“種子”。

這些以自己的“血肉之軀”構成球狀結構的阿米巴蟲注定是把自己推向死亡，它們會因缺乏食物而很快死去。鉆進球體內部而形成“種子” 的阿米巴蟲過一段時間后，會因球囊破裂散落下來。假如一陣風吹過，它們又可以獲得降落在濕潤土地的機會，重新復活過來，重新尋覓食物、分解、圍成團隊……

現在，讓我們從人類的眼光來觀察它們的營建活動。打個比方，在某個遙遠的地方，1萬個年輕人手持五顏六色的帽子沿著操場奔跑，他們正在慶祝他們崇敬的領袖的誕辰。突然他們停下腳步，緊緊地往頭上戴上花帽。此時，由各種不同顏色的帽子組成的一幅精確的肖像展現在人們面前。誰能說以上行為是這些年輕人的本能？很顯然，事前有人擬定表演的計劃，再把肖像切割成1萬個不同顏色的點，然后將一個個年輕人定位，最后讓他們準備接受時間、地點及帽子顏色的指令。這里的關鍵在于指令的密碼和傳遞的方式。每個參加者都應該記住指令，并且按照指令做出相應的行為。

那么阿米巴蟲呢？它們可不懂什么信息學、控制論以及管理理論。嚴格地說，在沒有總體計劃、沒有指揮中心、沒有建筑圖紙的情況下，要建造東西是不可能的。人類如此，自然界的其他動物也是如此。眾所周知，阿米巴蟲不會在樹葉上繪畫寫字，在它們的身上壓根兒就沒有目標和相互配合的意圖存在。那么，是什么東西在指揮阿米巴蟲的行動呢？阿米巴蟲——它們連大腦都沒有——靠什么接收指揮信號呢？于是又使人想到基因。

理論上講，阿米巴蟲的基因可以記錄必要的信息。與其他動物一樣，它的脫氧核糖核酸是條很長的鏈子。為了把基因密碼譯出并轉變為動作，又要讓每個抵達集合點的阿米巴蟲能夠接收到信號并據此確定各自的建筑物坐標，必須有什么東西事先擁有這些信號，并且能在同一時刻操縱6萬個阿米巴蟲的行動。那些后來踩著同胞身體攀登而上的阿米巴蟲還得參照三維空間坐標的原點來確定它們的方位，以便知道該不該繼續向上或向左、向右移動。

阿米巴蟲怎么能夠做到這一切呢？在它們的身上沒有測量距離的器官，也無法將不斷變化的情況同計劃進行分析比較?？茖W家認為，這里的原因不在內部而在外部，是一個外在因素影響到“全體人員”，在那里存儲著控制每個個體的計劃草案，決定了6萬或更多個體的分工，并根據未來球囊的直徑和重量決定每個底座的直徑和圓柱的高度。當然，以人類目前所知的物理學解決不了這些問題。任何一種物理場——磁場、重力場、電子場——都存貯不了復雜的、不斷變化的計劃或形態。同樣，這些物理場也確定不了事物隨機應變的行為的程序。所以有理由假設，所謂“本能”是屬于另一空間的東西，它存在于整個宇宙，對所有的阿米巴蟲起作用。這是一種非物質的能量，卻很容易使阿米巴蟲讀懂它發出的指令，并依照指令行動。

延伸閱讀

因環境變化而變化

周圍環境的變化，使黏菌從一種生命形態轉變為另一種生命形態。當土壤濕潤而且食物充足時，黏菌就像個體“阿米巴蟲”一樣生活著。如果環境條件惡化，黏菌個體就會相互聚集在一起形成一個原質團，在其上方逐漸發育成一個胞囊。處在原質團上方的胞囊可以遠離惡劣的環境而散落別處。從胞囊鉆出的單細胞又可以重新生活。如果條件一直沒見好轉，它們就會轉變為有性繁殖，其產生的后代黏菌因帶有被重組的基因而具有更強大的適應性。

模仿生物

20世紀80年代中期，工程師企圖復制出活體“集體智慧”，主要任務是制造由許多能自己改變位置的相關簡單部件組成的機器人。這種機器人的功能應該會按照制造人的需要解答各種不同的問題。為了實現這一目標，組成機器人的部件需要建立在另一個程序中。今天，實際具有這種潛在功能的機器人已經有了30個。麻省理工學院制造的機器人Chain FORM 可以像蛇一樣鉆進狹窄的地方，可以變成四肢負載。但是，目前所有的模塊機器人都不及昆蟲或黏菌，組成它的模塊自身不能完全獨立，而且機器人還需要在一個獨立的系統求助問題的答案。

超級集團

由幾千個簡單個體組合而成超級智能的現象，在生物界并非罕見。單體并不知道確定的目的，僅僅對靠近的地方的直接刺激做出反應，卻能完美完成確定的任務。

螞蟻：螞蟻可以完成復雜的作業，比如鋪設尋覓食物的馬路。根據前方螞蟻留下的化學足跡，每只后來的螞蟻都會跟隨其后，結果很快就形成了行走的路線。螞蟻的腹部末端在接觸地面時能分泌出一種物質，被稱為追蹤素，前邊的螞蟻分泌追蹤素，后邊的螞蟻聞到這種氣味，就能緊緊地跟上。這種追蹤素的氣味成了它們前進的路標。

白蟻：白蟻“超級集團”為了占領地盤而相互競爭。戰爭的結局就是形成了類似納米比亞境內著名的仙女圈一樣的圖案。白蟻將自己居住的巢上的草食光，但是它的巢又只能筑在與別的群落的交界處，于是在大地上便形成了有序的圖案。所謂“仙女圈”是指干旱草原地表上成千上萬個植被缺失、土壤裸露的怪圈，其直徑2米至12米不等，四周由高于平均植被高度的野草環繞。關于“仙女圈”的形成有多種理論解釋。根據最新的解釋，認為有兩種原因共同作用導致了“仙女圈”的形成。一是由于沙漠水分稀缺，植物通常傾向于聚集在一起來吸收沙土中的水分和營養物質，相對較弱的“鄰居”很難與其競爭，因缺乏水分和營養物質而死亡并留下一個貧瘠的缺口。二是白蟻等群居動物會擴大其“殖民地”向外尋找食物和水，直到它們遇到另一個“殖民地”。作為強大的“殖民地”生物，兩個白蟻群會爭奪“殖民地”，而較弱的白蟻群通常會被消滅。當兩個白蟻群勢均力敵時，雙方將陷入僵局，這樣“殖民地”的邊界變得清晰，巢穴的蜂窩狀模式就會顯現。

黃蜂：黃蜂群落中，其復雜行為僅僅取決于內部各自的職位。如果取消各種等級，那么經過幾天的無政府狀態之后，職務空位又被原來的黃蜂占據，群體生活又走上正軌。