微生物可以用來設計交通路網？

張江

你相信嗎？有一種微生物，在它覓食的過程中，可以設計出日本東京附近城市的交通路網。

有人會說，這不可能。想想看，人類工程師要完成一個復雜路網的設計，都要經過很多年的培訓。而且，東京市軌道交通系統的運輸效率之高，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。它在平時可不太招人喜歡，黏糊糊的，就像一大攤鼻涕。黏菌平時是作為一個整體生活的，但在饑餓的時候，會拆解成一個個單細胞生物。

這些單細胞生物叫阿米巴蟲，它們每一個都可以獨立出去覓食。一旦阿米巴蟲找到了食物，它們就會修建起一條條管道，給其他伙伴輸送食物。如果在好幾個地方都找到了食物，那它們修建的管道就可以把各個食物點相互連通到一起，形成一個食物輸送網絡。

2008年，日本東京大學的實驗小組就利用黏菌進行了這樣一個實驗。

他們先把整個東京市以及周邊36個城市的地圖，等比例地濃縮進實驗室的培養皿中，在東京周邊的城市上，放上黏菌愛吃的食物。然后，他們把一攤黏糊糊的黏菌，放在東京市的位置上。接著，實驗人員打開一個微縮攝像頭，拍攝著培養皿，就這么放著不管了。

一天多過去，當實驗人員再次打開培養皿的時候，他們發現，一張完整的交通網絡剛好把周圍的幾個城市，和中心的東京市連通到了一起。

攝像頭忠實記錄了黏菌是怎么修建交通路網的。

在最初的8小時里，黏菌一直都在攻城略地，修建管道網絡，觸達越來越多的食物點。這時的網絡又細又密，很像我們的毛細血管。

但是，11小時以后，黏菌開始優化這些管道網絡了。大量的毛細管道消失，少數管道變粗、變清晰。

26小時后，網絡基本定型。實驗人員把這個網絡輸入電腦中，驚訝地發現，這個網絡在輸運效率方面的表現，竟然毫不遜色于人類設計的現代東京交通網絡！

黏菌是怎樣做到的呢？

科學家發現，黏菌之所以能夠對整個管道網絡進行精煉、優化，秘密在于兩點。

一個是管道端口的壓力。黏菌的聚集會對管道的端口產生壓力，這種壓力會有節律地把食物一點點地擠壓到管道之中，讓它在管道中緩慢蠕動。

第二點是，黏菌修建的管道是一種類似于果凍的凝膠物質，它可以伸縮。

有了這兩條機制，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，管道就會變粗。反之，黏菌聚集少，壓力小，食物少，管道就會變細，直至消失。

而如果連接一個食物源的管道有兩條，但是一條長，一條短。在同樣的壓力下，短道就會有更大的輸運流量，大流量無疑又會進一步讓管道更粗……

就這樣，兩條管道最初一點點的長度差異，被不斷放大。從整體上看，這就表現為整個管道網絡的優化了。

其實這就是一種正反饋機制。正是它的存在，才讓阿米巴蟲僅僅通過局部的相互作用，就能完成看起來不可能的“設計最優路網”的任務。

在這個實驗以后，越來越多的實驗室開始重現這個過程，爭相讓阿米巴蟲幫助人類設計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。

再進一步，人類還利用它來解決看起來完全不同的問題。2018年，NASA，也就是美國國家航空航天局的一群科學家，居然用黏菌的涌現規律，去發現宇宙星系間的暗物質。暗物質這種東西看不見摸不著，也基本不和普通物質發生反應。怎么利用黏菌來發現呢？

原來，科學家們懷疑，宇宙間的暗物質會像管道網絡一樣，把宇宙中的各個星系相互連接在一起。于是，他們想了一個辦法，利用黏菌在目前預測的宇宙模型上，爬行出這個暗物質管道網絡。

只不過這一次，科學家沒用真實的黏菌，而是把它的相互作用規則，用電腦程序模擬出來，形成了“黏菌算法”。結果，他們模擬出的網絡，和我們目前已知的一些暗物質分布吻合得很好。

（摘自“羅輯思維”微信公眾號，西米鹿圖）