微生物可以用来设计交通路网？

张江

你相信吗？有一种微生物，在它觅食的过程中，可以设计出日本东京附近城市的交通路网。

有人会说，这不可能。想想看，人类工程师要完成一个复杂路网的设计，都要经过很多年的培训。而且，东京市轨道交通系统的运输效率之高，在全世界大都市中都是典范。微生物怎么可能做到呢？

让我给你讲讲。这种微生物叫黏菌。它在平时可不太招人喜欢，黏糊糊的，就像一大摊鼻涕。黏菌平时是作为一个整体生活的，但在饥饿的时候，会拆解成一个个单细胞生物。

这些单细胞生物叫阿米巴虫，它们每一个都可以独立出去觅食。一旦阿米巴虫找到了食物，它们就会修建起一条条管道，给其他伙伴输送食物。如果在好几个地方都找到了食物，那它们修建的管道就可以把各个食物点相互连通到一起，形成一个食物输送网络。

2008年，日本东京大学的实验小组就利用黏菌进行了这样一个实验。

他们先把整个东京市以及周边36个城市的地图，等比例地浓缩进实验室的培养皿中，在东京周边的城市上，放上黏菌爱吃的食物。然后，他们把一摊黏糊糊的黏菌，放在东京市的位置上。接着，实验人员打开一个微缩摄像头，拍摄着培养皿，就这么放着不管了。

一天多过去，当实验人员再次打开培养皿的时候，他们发现，一张完整的交通网络刚好把周围的几个城市，和中心的东京市连通到了一起。

摄像头忠实记录了黏菌是怎么修建交通路网的。

在最初的8小时里，黏菌一直都在攻城略地，修建管道网络，触达越来越多的食物点。这时的网络又细又密，很像我们的毛细血管。

但是，11小时以后，黏菌开始优化这些管道网络了。大量的毛细管道消失，少数管道变粗、变清晰。

26小时后，网络基本定型。实验人员把这个网络输入电脑中，惊讶地发现，这个网络在输运效率方面的表现，竟然毫不逊色于人类设计的现代东京交通网络！

黏菌是怎样做到的呢？

科学家发现，黏菌之所以能够对整个管道网络进行精炼、优化，秘密在于两点。

一个是管道端口的压力。黏菌的聚集会对管道的端口产生压力，这种压力会有节律地把食物一点点地挤压到管道之中，让它在管道中缓慢蠕动。

第二点是，黏菌修建的管道是一种类似于果冻的凝胶物质，它可以伸缩。

有了这两条机制，想象一下，黏菌聚集越多，压力就越大，压力越大，食物的流量就越大，管道就会变粗。反之，黏菌聚集少，压力小，食物少，管道就会变细，直至消失。

而如果連接一个食物源的管道有两条，但是一条长，一条短。在同样的压力下，短道就会有更大的输运流量，大流量无疑又会进一步让管道更粗……

就这样，两条管道最初一点点的长度差异，被不断放大。从整体上看，这就表现为整个管道网络的优化了。

其实这就是一种正反馈机制。正是它的存在，才让阿米巴虫仅仅通过局部的相互作用，就能完成看起来不可能的“设计最优路网”的任务。

在这个实验以后，越来越多的实验室开始重现这个过程，争相让阿米巴虫帮助人类设计师找到连接哥本哈根、首尔或者北京附近城市的高效交通路网。

再进一步，人类还利用它来解决看起来完全不同的问题。2018年，NASA，也就是美国国家航空航天局的一群科学家，居然用黏菌的涌现规律，去发现宇宙星系间的暗物质。暗物质这种东西看不见摸不着，也基本不和普通物质发生反应。怎么利用黏菌来发现呢？

原来，科学家们怀疑，宇宙间的暗物质会像管道网络一样，把宇宙中的各个星系相互连接在一起。于是，他们想了一个办法，利用黏菌在目前预测的宇宙模型上，爬行出这个暗物质管道网络。

只不过这一次，科学家没用真实的黏菌，而是把它的相互作用规则，用电脑程序模拟出来，形成了“黏菌算法”。结果，他们模拟出的网络，和我们目前已知的一些暗物质分布吻合得很好。

（摘自“罗辑思维”微信公众号，西米鹿图）