黏菌和阿米巴虫的团队精神

柯永亮

黏菌的集体智慧

地球上存在着已有几百万年历史的理性生物，但是，这里绝不是指智人的智慧，而是指由几千个不长脑袋的微小生物个体——黏菌——组成的群体。黏菌是一种历史悠久的微生物，其进化历史可追溯至数亿年前，在其进化过程中逐步形成了适应环境求生存的能力。是的，就是这种原生物，在抱团的时候，其工作能力远超一些先进计算机和软件，能够解答数学问题，并且绘制地图。这是怎么一回事呢？

个人与集体

人们对黏菌不甚了解，光知道这是一种单细胞生物，有点像真菌。单个黏菌就像阿米巴虫（黏菌是变形虫门锥足亚门黏菌下门的生物总称，和阿米巴虫是近亲），缓慢移动以细菌为食。当食物缺乏时，许多这样的“阿米巴虫”便缓慢聚集到一起，形成相当大的各种不同形态的团体，开始转移地点，去寻找食物谋生。这样的多细胞形成物被称为生物变形体，也叫原质团，含有上万个黏菌个体。

就这样，在形成原质团的过程中，黏菌群体成为一个智能器官：确定食物的方向，并向这一侧伸出突部或朝这一方向移动。黏菌避光趋暗，如果已经形成的变形体所处的位置非常亮，它就会朝暗处爬行。黏菌个体分泌黏性蛋白，这种黏性蛋白的分泌改变了原质团内部的“黏性”，使原质团个体数量分布变得不均匀，在原质团“鼻子” 部位细胞数量变得稀少，而在“尾部”变得稠密，这样促使细胞群体向上突起。这么多的个体细胞的变动如何保持默契，如何相互配合黏性的分泌，至今还是个谜。

原质团可以觅食，甚至能在迷宫里觅食，就像一台神奇的具有超凡能力的“终结” 号机器人。它能够沿着迷宫走道正确爬行找到它们喜欢的、处在最偏僻角落的燕麦粒。黏菌在原質团的形态下能够记住迷宫内的岔口，不会停滞不前，任何时候也不会走重复的路线。之所以会这样，是因为黏菌能够捕捉气味的化学感受。这也是它“记忆”的基础：在探查路径的过程中，黏菌会留下化学足迹，再次感觉到这种足迹时，它就会避开这条路。在一个原质团曾经走过的迷宫内，其他原质团也能够避开这些记号，以免搅乱前辈留下的化学信息。在这一实验中，黏菌群会伸展自己的细胞质并覆盖住整个迷宫平面，直至发现食物；然后缩回多余的部分只剩下最短路径，使黏菌在迷宫路径中最直接有效地寻找到食物。

学生与老师

为了一个远大的目标，黏菌学会了完成并非每个个体都能熟练掌握的极其不可思议的事情。法国图卢兹大学学者让一群饥饿的黏菌经过洒了咖啡或盐的“小桥”。这两种物质都是不会引起原质团兴趣的，于是原质团避开“小桥”走。但在接下来的实验中，越来越多的黏菌估算出了绕过令它们厌恶的东西抵达食物点要多花费好几分钟，便强忍着不快选择越过“小桥”去寻找食物。

并且，如果将已经与“咖啡（或盐）桥”打过交道原质团，引进到未接受过这种经历的黏菌群体中，使两者融为一体，那么新形成的“超级智能”团体，不用再积累经验，就能毫不畏惧地越过“小桥”朝着食物方向爬行。如果将这两组黏菌再次隔开，那么之前没有经验的原质团，就会从“学生”变成“老师”，再去“开导”其他原质团。研究人员弄不清黏菌是如何传授知识的，只推测很可能有一种神经递质参与其中。

理想与非理想

黏菌的这种集体意识降低了可能的危险和非理智的行为。悉尼大学的生物学家做了这样一个实验：他们在黑暗的角落投放少许麦粒，同时在亮处投放多些的麦粒。原质团一向避光趋暗，但是在这个实验中，它们中有50%选择了数量多的食物，也就是朝潜在危险的亮处爬行。

在接下来的实验中，研究人员添加了暗处的麦粒分量，但吃过亏的黏菌变形体并不领情，还是继续朝亮处觅食。只是，它们的行为会因前面实验的两组变形体的行为改变而改变：80%的原质团爬向暗处不那么容易吃饱的食物；其余20%为了多些热量忍受亮光的刺激向光而行。这是非理性的决定：第三组变形体不改变其他两组的选择。人类在同样的情况下，也会做出同样的选择，获取的不是绝对的而是相对的物的价值。显然，非理性乃是任何智慧的本性，甚至是集体智慧的本性，黏菌的原质团也不例外。

英雄与胆小鬼

黏菌原质团不仅有智能，而且还具有防卫体系。黏菌非常害怕寄生虫在原质团内大量繁殖，便有部分黏菌毅然主动承担了警卫的作用，即使这项工作在有的时候对它们来说是致命的。这些“警卫”被派到原质团内部寻找“罪犯”，发现寄生虫细菌便吞噬它们，然后离开原质团，与敌人同归于尽。在器官外，这些勇敢的“卫士”会很快因感染或挨饿死去。

为了原质团集体的成长壮大，黏菌个体还具有这样的自我牺牲精神。胞囊（可以从中诞生新的一代黏菌）处在特殊的茎秆的顶端，这样就可以分散到远处。而构成茎秆的黏菌个体注定要牺牲自己。但是，也不是全部个体都自愿为种群的繁衍而做出牺牲，也有胆小鬼，当茎秆开始形成时，它们会相互排斥，为能到达茎秆的顶部争先恐后。这一点，显然不及阿米巴虫有觉悟。

农场与抵抗入侵

狡猾的黏菌不单杀死和吞噬细菌，为了产生食物还会适当保留一些细菌俘虏，将它们安置在原质团里，让它们适当繁殖。在袖珍农场里，为了提供稳定的食物，黏菌不仅将细菌投放到原质团里，也会投放到胞囊里，作为珍贵的遗产留给后代食用。

但是，对它的其他亲戚却很不顾情面了。如果其他的黏菌钻进原质团的内部，原质团的黏菌个体就会分泌出致入侵者于死地的毒素，在两个昼夜内将它们毒死。获胜的黏菌个体会利用从对手那里获取的营养品，与自己的其他同伴共同建立另一个原质团。

计算机与人造器官

科学家甚至研制出了由黏菌控制的机器人。英国南安普敦大学的生物学家设计出六腿机器人，能够根据黏菌发出的“口令”移动，黏菌就放置在机器人背上的壳里。在黏菌“小屋”内，安置着一些小灯泡，它们与室内来回移动的机器人同步开关灯光。盒子内部的无线电传感器记录黏菌如何避光而行，这一信号被传送到机器人的脚下。利用光，研究人员可以用黏菌组成生物晶体管，根据信号放行或阻止电流。英国与德国学者用它们组装了一台计算机，用来完成最为基本的逻辑运算。

在完成某些类型的复杂题目时，黏菌表现得并不比超级电脑差。比如在一些点之间寻找最短线路。在试验了几次不同的走法后，黏菌很快就拒绝走不理想的路线，而总是选择最佳路线。东安格利亚大学的研究人员拿出一张大西洋半岛的地图，并将黏菌分别放置在西班牙和葡萄牙中部，并且在标有大城市的地方放置麦粒，在湖泊和高山处放置光源以便黏菌偏离它们。致力抵达食物的原质团探出突部，它们最终建立的路线与国家公路图惊人相似。日本北海道大学利用原质团在实验室准确模仿出东京的铁路网。须知，东京铁路系统是世界上最高效、布局最合理的系统之一，黏菌依靠自己团队的聪明才智同样有效地连接起多个站点。

黏菌是智慧的活生生的案例，它颠覆了我们对传统智慧生命体的理解。如果弄清什么样的机制在控制黏菌的行为，我们也许可以建立新型的人工智能，从而更加理解人类大脑的工作原理。正如日本公立函馆未来大学的学者中垣俊之所说：“简单的微生物可以解决一些难题。如果你希望利用这种微生物的智慧，它们是很容易被控制的。”目前，日本一些研究人员认为理解这些原始微生物的行为，将对理解人類智慧是“至关重要”的，他们“将致力使用真实黏菌来建造生物计算机，使其信息处理系统非常接近人类大脑”。通过使用黏液作为基础元素，将引导科学家建造一种完整的、全新的计算机系统。

神秘的阿米巴虫集体

阿米巴虫是一种肉眼几乎看不见的原生虫，只有一个单细胞，最大的直径不到0.6厘米。它能从胞浆伸出伪足，借此向各个方向移动，学术上称之为“阿米巴运动”，是动物运动的最原始形态。阿米巴虫常在水底和潮湿的森林土壤中爬行。它吞噬细菌，每三四小时进食一次。别看它只有单细胞，却能够做出人类——这是拥有经过10亿多个细胞组织的缓慢进化和400万年同样缓慢的演变而成就的大脑的物种——才能做出的事。

在阿米巴虫生活的地方，如果出现食物匮乏，挨饿的阿米巴虫便开始发出一种化学信号，告诉其同类，让它们到某个中心点集合。不用多长时间，4万至6万个阿米巴虫便围聚在一起，形成了一个团队。该整体被命名为“格列克斯”，形如一只脱壳的蜗牛。格列克斯以每小时1厘米的速度继续转移。

令人费解的事发生了。

这些阿米巴虫能够记住它们各自抵达集合点的先后次序，尽管没有记忆器官。首批到达的总是走在队伍的前头，带领大队人马前进，不忘发挥向导的作用。如果把它们调到队尾，它们会迅速重返队首。在寻找食物的路途中，要是一无所获，这些阿米巴虫就会改变原先的主意，一起投入建造过程——营建酷似高塔上的球体的建筑物。

这是一项伟大的工程，需要明确的分工和专业的水平，但是你看不到是谁在发号施令，指挥整个过程的进度。阿米巴虫既无触觉，也无语言，更无思想意识，它们不可能意识到它们各自所处的空间位置。但是阿米巴虫仿佛具有这些能力。那些迟到的阿米巴虫会用它们的躯体筑成基座。在基座上架高的是根茎，是由首先到达地点的阿米巴虫构成的。最后一批前来报到的阿米巴虫

便沿着根茎攀登而上，在上方共同形成突出的球囊。还有一部分阿米巴虫就像马车里的乘客那样一个个钻进球体内部，在那里它们开始改变形态，形成胞囊；接着缩小体积，脱出水分，并分泌一层胞囊膜作为保护性的外膜，中止自身的新陈代谢，最后变成一丁点大的“种子”。

这些以自己的“血肉之躯”构成球状结构的阿米巴虫注定是把自己推向死亡，它们会因缺乏食物而很快死去。钻进球体内部而形成“种子” 的阿米巴虫过一段时间后，会因球囊破裂散落下来。假如一阵风吹过，它们又可以获得降落在湿润土地的机会，重新复活过来，重新寻觅食物、分解、围成团队……

现在，让我们从人类的眼光来观察它们的营建活动。打个比方，在某个遥远的地方，1万个年轻人手持五颜六色的帽子沿着操场奔跑，他们正在庆祝他们崇敬的领袖的诞辰。突然他们停下脚步，紧紧地往头上戴上花帽。此时，由各种不同颜色的帽子组成的一幅精确的肖像展现在人们面前。谁能说以上行为是这些年轻人的本能？很显然，事前有人拟定表演的计划，再把肖像切割成1万个不同颜色的点，然后将一个个年轻人定位，最后让他们准备接受时间、地点及帽子颜色的指令。这里的关键在于指令的密码和传递的方式。每个参加者都应该记住指令，并且按照指令做出相应的行为。

那么阿米巴虫呢？它们可不懂什么信息学、控制论以及管理理论。严格地说，在没有总体计划、没有指挥中心、没有建筑图纸的情况下，要建造东西是不可能的。人类如此，自然界的其他动物也是如此。众所周知，阿米巴虫不会在树叶上绘画写字，在它们的身上压根儿就没有目标和相互配合的意图存在。那么，是什么东西在指挥阿米巴虫的行动呢？阿米巴虫——它们连大脑都没有——靠什么接收指挥信号呢？于是又使人想到基因。

理论上讲，阿米巴虫的基因可以记录必要的信息。与其他动物一样，它的脱氧核糖核酸是条很长的链子。为了把基因密码译出并转变为动作，又要让每个抵达集合点的阿米巴虫能够接收到信号并据此确定各自的建筑物坐标，必须有什么东西事先拥有这些信号，并且能在同一时刻操纵6万个阿米巴虫的行动。那些后来踩着同胞身体攀登而上的阿米巴虫还得参照三维空间坐标的原点来确定它们的方位，以便知道该不该继续向上或向左、向右移动。

阿米巴虫怎么能够做到这一切呢？在它们的身上没有测量距离的器官，也无法将不断变化的情况同计划进行分析比较。科学家认为，这里的原因不在内部而在外部，是一个外在因素影响到“全体人员”，在那里存储着控制每个个体的计划草案，决定了6万或更多个体的分工，并根据未来球囊的直径和重量决定每个底座的直径和圆柱的高度。当然，以人类目前所知的物理学解决不了这些问题。任何一种物理场——磁场、重力场、电子场——都存贮不了复杂的、不断变化的计划或形态。同样，这些物理场也确定不了事物随机应变的行为的程序。所以有理由假设，所谓“本能”是属于另一空间的东西，它存在于整个宇宙，对所有的阿米巴虫起作用。这是一种非物质的能量，却很容易使阿米巴虫读懂它发出的指令，并依照指令行动。

延伸阅读

因环境变化而变化

周围环境的变化，使黏菌从一种生命形态转变为另一种生命形态。当土壤湿润而且食物充足时，黏菌就像个体“阿米巴虫”一样生活着。如果环境条件恶化，黏菌个体就会相互聚集在一起形成一个原质团，在其上方逐渐发育成一个胞囊。处在原质团上方的胞囊可以远离恶劣的环境而散落别处。从胞囊钻出的单细胞又可以重新生活。如果条件一直没见好转，它们就会转变为有性繁殖，其产生的后代黏菌因带有被重组的基因而具有更强大的適应性。

模仿生物

20世纪80年代中期，工程师企图复制出活体“集体智慧”，主要任务是制造由许多能自己改变位置的相关简单部件组成的机器人。这种机器人的功能应该会按照制造人的需要解答各种不同的问题。为了实现这一目标，组成机器人的部件需要建立在另一个程序中。今天，实际具有这种潜在功能的机器人已经有了30个。麻省理工学院制造的机器人Chain FORM 可以像蛇一样钻进狭窄的地方，可以变成四肢负载。但是，目前所有的模块机器人都不及昆虫或黏菌，组成它的模块自身不能完全独立，而且机器人还需要在一个独立的系统求助问题的答案。

超级集团

由几千个简单个体组合而成超级智能的现象，在生物界并非罕见。单体并不知道确定的目的，仅仅对靠近的地方的直接刺激做出反应，却能完美完成确定的任务。

蚂蚁：蚂蚁可以完成复杂的作业，比如铺设寻觅食物的马路。根据前方蚂蚁留下的化学足迹，每只后来的蚂蚁都会跟随其后，结果很快就形成了行走的路线。蚂蚁的腹部末端在接触地面时能分泌出一种物质，被称为追踪素，前边的蚂蚁分泌追踪素，后边的蚂蚁闻到这种气味，就能紧紧地跟上。这种追踪素的气味成了它们前进的路标。

白蚁：白蚁“超级集团”为了占领地盘而相互竞争。战争的结局就是形成了类似纳米比亚境内著名的仙女圈一样的图案。白蚁将自己居住的巢上的草食光，但是它的巢又只能筑在与别的群落的交界处，于是在大地上便形成了有序的图案。所谓“仙女圈”是指干旱草原地表上成千上万个植被缺失、土壤裸露的怪圈，其直径2米至12米不等，四周由高于平均植被高度的野草环绕。关于“仙女圈”的形成有多种理论解释。根据最新的解释，认为有两种原因共同作用导致了“仙女圈”的形成。一是由于沙漠水分稀缺，植物通常倾向于聚集在一起来吸收沙土中的水分和营养物质，相对较弱的“邻居”很难与其竞争，因缺乏水分和营养物质而死亡并留下一个贫瘠的缺口。二是白蚁等群居动物会扩大其“殖民地”向外寻找食物和水，直到它们遇到另一个“殖民地”。作为强大的“殖民地”生物，两个白蚁群会争夺“殖民地”，而较弱的白蚁群通常会被消灭。当两个白蚁群势均力敌时，双方将陷入僵局，这样“殖民地”的边界变得清晰，巢穴的蜂窝状模式就会显现。

黄蜂：黄蜂群落中，其复杂行为仅仅取决于内部各自的职位。如果取消各种等级，那么经过几天的无政府状态之后，职务空位又被原来的黄蜂占据，群体生活又走上正轨。