问题

黏菌是什么生物,真的有这么神奇吗?

回答
黏菌,这个名字听起来就带着一丝神秘,仿佛是童话故事里才会出现的生物。但它们真实存在,而且,真的可以说是“神奇”的。它们不是植物,不是动物,也不是我们通常理解的细菌。那么,黏菌究竟是什么?又有哪些地方让我们觉得它们如此不可思议呢?

黏菌:介于个体与群体之间的奇特生命

要理解黏菌,我们得先抛开一些固有的生物分类概念。黏菌并非单一的生物体,而是一类生活史中表现出截然不同形态的真核生物。它们的“神奇”之处,很大程度上源于它们在生命周期中能够从分散的、独立的单细胞个体,转变为一个巨大的、联通的“超级个体”。

最广为人知的黏菌类型是多细胞黏菌,也称为“细胞黏菌”。它们在生命周期的大部分时间里,是以单个的、游离的阿米巴状单细胞形式存在的。这些细胞很小,肉眼几乎看不见,它们在潮湿的土壤、落叶、腐木等环境中,像我们熟悉的变形虫一样,通过伪足缓慢地移动,吞噬细菌、酵母和其他微生物来获取营养。你可以想象它们是遍布在森林地面上,无声无息地“散步”的小单元。

然而,当环境条件发生变化,比如食物变得稀缺,或者湿度增加,这些分散的单细胞就会收到某种“信号”。它们会神奇地聚集在一起,开始融合,形成一个巨大的、多核的细胞质团,我们称之为原生质团(plasmodium)。这个原生质团可能非常大,有的甚至可以延伸到几厘米甚至更大,像一块流动的、有颜色的黏液,在基质上爬行、扩张,寻找食物。此时,它已经不再是独立的单细胞,而是一个协同工作的“超级生命”。

更令人惊叹的是,这个原生质团在一定条件下,还会进行一个令人难以置信的转变——分化。它会抬升,形成一个或多个子实体(fruiting body)。这些子实体形态各异,有的像一个小型的蘑菇,有的像精致的孢子囊。这些子实体正是黏菌的繁殖结构,它们会产生大量的孢子,等待着适宜的环境,再次播撒出去,开始新的生命周期。

另一类黏菌是变形菌黏菌(plasmodial slime molds)。它们的生命周期与细胞黏菌略有不同,它们以一种多核的细胞质团形式存在,而不是先有独立的单细胞。这个原生质团就像一个巨大的、不断增殖的单核体,但它的核却在细胞质内自由分布。它们同样会移动、捕食,并在适宜条件下形成孢子囊进行繁殖。

黏菌的神奇之处:智慧的“无脑”生命?

黏菌的神奇,不仅仅在于它们能够从单细胞变成巨大的群体,更在于它们展现出的“智慧”行为,而它们却没有任何神经系统,甚至没有大脑!

解决复杂迷宫问题: 最经典的实验莫过于黏菌在迷宫中寻找最短路径的能力。科学家会在迷宫的起点和终点放置食物(通常是琼脂中的燕麦片)。令人惊讶的是,黏菌(尤其是原生质团)能够从起点出发,探索迷宫,并最终沿着一条高效的路径连接到食物源,甚至在有多个食物源的情况下,能够形成一个覆盖所有食物源的最优网络。它们似乎能够“记忆”走过的路径,并“评估”不同路径的优劣,最终选择最节能的方式。这种能力,在很多复杂的计算和优化问题中,都与人类的算法有惊人的相似之处。
网络优化: 这种寻找最优路径的能力,也让黏菌成为模拟城市交通网络、物流配送甚至互联网结构的绝佳模型。它们能够以一种分散但协调的方式,构建出高效的连接网络,就像日本的铁路网络,尽管是独立规划的,却能形成高度优化的覆盖。
环境适应与学习: 黏菌也展现出一定的学习能力。例如,在反复暴露于某种有害物质后,它们能够“学会”规避。在不同的环境中,它们的移动模式和子实体形成方式也会有所调整,表现出对环境的适应性。
决策能力: 面对多个选择时,黏菌会展现出一种“权衡”的过程。例如,在面临两种不同质量的食物时,它们会优先选择更优的食物,即使这意味着要经过更长的距离。

为什么黏菌会如此“神奇”?

黏菌的这些“神奇”能力,源于它们独特的生命机制和物理化学特性:

1. 分散式计算: 黏菌没有集中的控制中心,它们的“决策”是分散在整个细胞质内的。细胞质中的各种化学信号和物理张力,共同协调着整个原生质团的运动和生长。当它们遇到食物时,细胞质会向食物源流动,形成化学梯度;当它们遇到障碍物时,会改变方向。这种分散式的响应和集成,构成了一种“集体智能”。
2. 生物物理机制: 黏菌的移动和形变,很大程度上依赖于细胞骨架的收缩和舒张,以及细胞质的流动。这些物理过程在复杂的空间结构中,能够自发地产生出具有智能性的行为。
3. 高效的物质运输: 巨大的原生质团需要高效的物质运输系统来保证所有部分的正常运作。细胞质的流动本身就构成了一个物流网络,而黏菌通过优化这种流动,能够实现高效的能量和营养物质的分配。

黏菌的意义

黏菌的研究,不仅仅是为了满足我们的好奇心,更是为我们理解生命提供了全新的视角。它们挑战了我们对“智能”的定义,证明了在没有神经系统的情况下,生命也能展现出令人惊叹的解决问题的能力。它们的研究也为人工智能、机器人技术、材料科学等领域提供了宝贵的启示,帮助我们设计更高效、更具适应性的系统。

所以,当你下次在潮湿的森林中行走,看到一块流动的、有颜色的黏液时,不妨停下脚步,观察一下这个“无脑”的生命。它可能正在解决一个你从未想过的复杂问题,用它自己独特而神奇的方式,演绎着生命的奇迹。它们的存在,就是对“神奇”这个词最好的注解。

网友意见

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没人提东京地铁的实验吗?这篇文献里面有数学解释而且是活生生的仿生学哎!

2010年1月22日 ScienceMag Vol.327

实验用到的是

Physarum polycephalum

,是最早人工培养的一批真核生物细胞,分类上暂时放到了变形虫门。长什么样子大家也都见到了,他们一般会把真菌孢子、细菌等等作为食物。黏菌是真核生物!不是粘液细菌!

实验很简单,用黏菌避光的特性,用光斑模拟海岸线和地形,在东京附近重要的地铁站对应的位置放上食物:

这是只有海岸线的时候,黏菌铺张、求出最省连通路径的过程图:

下面是用光的强度模拟水域和地势的结果,灰度越高代表光强度越弱(海拔在海平面以上同时越低)。

专业的建模分析就不赘述了,科学家最后的原理是黏菌形成的微网络当中,“远路”携带的营养运送过程中消耗大,因而流速低,直径逐渐收缩;而“捷径”流速更大,直径逐渐增大。这样,整个网格就逐渐收缩到最优解上。实际上是一种类似于蚁群算法的退火算法。

实验者模拟了一下这个算法,解出来的结果和黏菌搜索的结果相差无几:

PS:作为三者的边缘性交集,这篇文章我看下来的感觉是这样的:

生物狗:哇这个数学模型建的好牛啊,还模拟,太厉害了!不过生物部分的实验好简单……

程序猿:哇这个数学模型和仿生学结合起来,太厉害了!不过算法有点老掉牙……

数学家:哇这个仿生学和程序结合的真是6,太厉害了!不过这个数学模型建的真是粗糙……

= =嗯,差不多就是这样……

(所以我们老板也在逼我们做类似的工作……简单的实验拿来忽悠三拨人……)

其实黏菌还有一个经常被提到的特点:在低密度的时候表现得像单细胞,而高密度或者食物告罄的时候,部分个体就会释放出凝集素,吸引其他个体聚集成一个多细胞表现的整体,进而完成各种功能,尤其是繁殖。黏菌的子实体非常漂(mi)亮(kong)


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(图片来自维基百科:

File:Schleimpilz Urwald Sababurg.jpg

这些平时的散兵游勇,到了繁殖的时候就聚集起来,像真菌一样生长出子实体,产生孢子进行繁殖。想想还是挺有趣的。

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