現實中的史萊姆憑單細胞竟會走迷宮，規劃交通路線，誰敢說它們「無腦」？

來自專欄 Dizzy In Science

在電子遊戲的一般套路設定下，蠢萌的史萊姆總是那個最低級的怪物。

它們幾乎沒有智商可言，攻擊手段單一且總是以動技能著稱，正所謂「爛泥扶不上壁」。

而縱觀各個類型的史萊姆，也絕大多數是以一種不規則黏液的低端形態出現。

此外，史萊姆（Slime）的英語原意，本來指的就是爛泥或動物分泌出來的粘稠液體。

雖然這一切都讓人首先聯想起鼻涕蟲，但現實世界裡的「史萊姆」，可沒這麼簡單。

史萊姆的原型生物，是一種我們不太常見的生物——黏菌（Slime mold）。

它在自然界的定位，就能極其詭異來形容。

因為光是考慮「要將它們劃分為哪一類生物」，生物學家就頭痛了很久。

首先，黏菌是真核生物，並非什麼粘液細菌。

而它們的一生，也共有兩個截然不同的形態。

在生長期或營養期，它們為裸露的無細胞壁的原生質團，也稱為「變形體階段」。

這一階段的營養結構、運動和攝食模式，都與變形蟲等原生動物相似。

因為主動運動攝食是動物才有的特性，所以有的生物學家認為，他們應該屬於原生動物。

不過，與原生動物不同的是，黏菌擁有的「集體意識」是原生動物不能比擬的。

當周圍食物短缺時，它們就會發出信號召喚周圍的黏菌逐漸聚攏在一起。

這樣黏菌們就慢慢合體成了一大團「史萊姆」，協作運動將周圍的食物收入囊中。

然而一到繁殖期，它們又換了種形態，表現得更像真菌。

這一階段也稱為「子實體階段」，黏菌會慢慢長成蘑菇型，並逐漸變硬、變干。

最後，無數具有纖維質細胞壁的孢子就會誕生，進行有性繁殖。

因此，另一部分生物學家則認為應將黏菌視為一種真菌。

所以到後來，生物學家只能將這「四不像」生物，直接歸為原生生物界（Protist），屬於黏菌門。

分類學統共也就五個界，所以也有人將這樣的分類形容為，「專門用於我們並不真正了解的一切」。

雖然籠統，但至少不會出錯。

但他們最奇異的地方還不在這裡。

因為作為一種單細胞生物，它們表現出來的智慧才是讓人難以想像的。

三十多年前，生物學家首次將黏菌帶進實驗室時，就發現其運動方式的與眾不同了。

它們不但會走迷宮，有學習能力，甚至還能模擬人造交通網路布局。

只需要花幾小時，它們就能實現一堆頂級工程師幾十年才是完成的事，被喻為「世上最小的道路規劃師」。

而這一切，竟全都建立在這坨史萊姆沒有神經系統、沒有大腦的前提下。

黏菌的智慧首先得到科學們的關注，是從日本的一個著名的迷宮實驗開始的。

2000年，Nakagaki等科學家們就設置了這麼一種有趣的玩法。

他們將黏菌培養在一個在普通迷宮中，而迷宮的起點和終點處，都放了一些燕麥。

因為在實驗室里，燕麥正是黏菌們最喜愛的食物。

而迷宮中，共有4條長短不一的路線，可以連接到這兩個食物源。

實驗開始，研究員發現黏菌會伸展自己的細胞質，覆蓋住幾乎整個迷宮平面。

而這迷魂八卦陣，也完全沒能阻礙它們原始的「貪吃」衝動。

只要發現了食物，它們就開始慢慢縮回多餘的部分，最後只剩下最短的路徑。

無論重複多少次實驗，黏菌們都像商量好了似的，總是毫不猶豫地選出了那條消耗體力最少、又能獲得食物的道路。

如果你覺得會走迷宮還不算厲害，不要緊，它們還有更強的看家本領。

因為比迷宮複雜上無數倍的路況，都難不倒它們找出「最優解」。

有了這個實驗基礎後，同一批研究員則在2004年，換了一種方式考驗這些黏菌。

他們打算在自由的平面上放置多個食物源，想觀察這些黏菌是否還能找出覓食的最優路徑。

最終，黏菌果然不負眾望。它們連接各點所形成的網路，幾乎就是工程里的最佳化路徑。

別以為找到最佳化路徑很簡單，其中可蘊含著的極其複雜的組合優化問題。

其實光是三個點之間取最優路徑，就已經能讓人糾結好一陣子了。

想像一下自己就是那坨史萊姆，那些讓你垂涎欲滴的麥片正擺在ABC三點上。

長遠來看，你應該建立怎麼樣的線路，才能確保消耗最少的能量，又能吃全這些麥片呢？

想必大家已經知道了這是中學時見過的，將三點連通求距離之和最小的問題。

而相信反應快的同學也應該看出，只需要在ABC三點中間取一點連接三地，形成的人字型線路就是最短的。

但問題是，這形成的人字型路線，只要隨便斷開一路，就等同於有一塊麥片吃不到了。

而考慮到這種情況，我們就得選擇換一種連通法才更合理。

如把這ABC三點直接連起來，形成一種環形的線路。

這樣雖然距離是長了點，但就算一條線路斷了，另外兩條線依然能連接三點，不至於失去任何一顆燕麥。

其實人字路線對應的便是求「斯坦納樹問題」的解，即連接各點所需的最短路徑環。

而形線路對應的則是「旅行商問題」，要找出行經各點回到原位置最快的方法。

若再將原本3個點，推廣到4、5、6...或n個點，問題的複雜程度將以指數形式增加。

所以我們不難想像，在現實世界中設計一個交通網路到底得有多困難。

而黏菌真正厲害的地方是，它們能綜合考慮各方面的情況。

它們所要找尋的不是最短的，而是最優的。

在2004年，Nakagaki及其團隊在實驗室中，就用最高7個食物源，驗證了黏菌的道路規劃能力。

研究員經過統計分析表明，黏菌規劃的路線幾乎滿足智能網路的多重要求，是「旅行商問題」或「斯坦納樹問題」所尋求的最佳化路徑。

不過，在這7個食物源上鋪路，在黏菌看來還真的是個小CASE了。

因為科學家很快就異想天開地，用黏菌模擬出了整個日本東京地區的鐵路網。

東京鐵路系統，是世界上最高效、且布局最合理的系統之一。

就算在許多經驗老道的工程師看來，也得耗費不少腦細胞才能設計出來。

然而黏菌這種根本沒有腦袋的單細胞生物，只需要幾十小時瘋狂生長，就能重複頂級設計師們幾十年的心血。

首先，研究員依照東京周邊的輪廓打造出了一個大盤子，用以限制黏菌的活動範圍。

此外，根據黏菌的避光特性，用局部光照來模擬周圍的海岸線和地形。

因為真實的鐵路網路，就是會受到山丘、湖泊或地勢的阻礙。

接著，一塊最大塊的燕麥便被投放在容器中央，相當於東京站的位置。

其他的小塊燕麥，則被分散地放在容器內，對應東京鐵路中的35個車站。

這樣架設完畢後，就基本能模擬出該地區的實際情況了。

接下來，就看黏菌們的表現了。

起初，黏菌會盡量鋪滿平面，不斷對新領地加以探索。

但十幾個小時後，黏菌彷彿略有所悟一樣，開始優化布局。

例如燕麥之間的管道會不斷強化，而一些用途不大的路徑則會逐漸縮回消失。

大約過了26個小時，這些黏菌就形成了一個與東京地區鐵路網路高度相似的脈絡。這幾乎就是東京鐵路的翻版，甚至比東京鐵路更富有彈性。

除此之外，黏菌網路還具有高效的自我修復性。只要將其中一個食物源拿掉，整個實務網路將會重新根據之前的「最優化」原則重新排布。

所以科學家也認為，黏菌的這種智能性能應用在運輸網路的設計，以及複雜的大國模模擬實驗中。

這個實驗結果，就發表於2010年的Scinece期刊上。

也在同一年，這個成就也讓這個研究團隊獲得該年度的「搞笑諾貝爾-運輸規劃獎」。

別看得的是搞笑諾貝爾獎，但其背後確實能引發著我們人類深思。

畢竟這種計算最合理路徑的本領，甚至連計算機都難以超越。

只是到目前為止，無腦無神經的黏菌究竟是怎麼完成這智能性網路的，仍然是一個未解之謎。

而21世紀以來，它們也受到仿生學和人工智慧的極大關注。

正因為「無腦」卻又表現出的智慧，人們才想這會不會是打開未來人工智慧大門關鍵的一把鑰匙。

最後不得不說，2017年的人氣科幻片《異星覺醒》中的外星人卡爾文，靈感塑造正是來自於充滿智慧的黏菌——就算沒有腦子，它的智力仍然碾壓人類。

所以，以後就不要再用單細胞或史萊姆，來形容別人蠢了。

因為這種表述，也有可能是在誇他。

*參考資料

Slime mold.Wikipedia.2018.04.01

麥格.會動的口香糖.小哥白尼·野生動物 .2010.06.07

Toshiyuki Nakagaki, Hiroyasu Yamada & ágota 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