外表看似史萊姆,智慧卻過於常人的多頭絨泡黏菌!

多頭絨泡黏菌不只會走迷宮,還有找出最短距離的超能力。

撰文|許翠庭

 

黏菌找出通往食物的最短路徑。來源:https://www.science.org/content/article/slimy-not-stupid

 

●  多頭絨泡黏菌是一種原生質體黏菌

還記得〈成就群體的細胞性黏菌,如何對付叛徒!〉文中提到的黏菌嗎?黏菌是一群生活習性相似的原生生物的統稱,分為「細胞性黏菌(cellular slime mold)」和「原生質體黏菌(plasmodial slime mold)」兩大類。其中,細胞性黏菌平時則是單細胞狀態,各自四處覓食,到了要繁殖時,會散發出化學訊號,把各處的單細胞集合起來,組合成一隻有點像蛞蝓的多細胞生物。這隻「類蛞蝓」會爬到適宜繁殖的地方,然後變形、長出一個有柄的孢子囊,散佈更多的黏菌孢子。

而原生質體黏菌平時是一團肉眼可見的多核細胞質,會到處爬動尋找食物,到了要繁殖時會長出頂端有孢子囊的子實體,並散發出孢子。今天,我們的主角就是一種原生質體黏菌──多頭絨泡黏菌(Physarum polycephalum)。

 

●  運輸科學界的寵兒

多頭絨泡黏菌是亮麗的鮮黃色。由於常見、容易飼養等特點,多頭絨泡黏菌雀屏中選,成為原生質體黏菌中的模式生物,也就是說,它們常常被人類拿來進行各種實驗。那麼,什麼樣的實驗可以用上多頭絨泡黏菌呢?令人意外的是,由於它們尋找最短路徑的能力,它們在運輸科學界的表現最為亮眼。

人類發現多頭絨泡黏菌擁有尋找最短路徑的能力,最早是來自日本科學家中垣俊之於2000年的研究。在這個研究中,中垣俊之和他的團隊在培養皿中設置迷宮,在迷宮兩端放置多頭絨泡黏菌最喜歡的食物──麥片,然後把多頭絨泡黏菌放在培養皿中。一開始,黏菌胡亂爬動,直到黏菌充滿整個迷宮以後,神奇的事情發生了!黏菌開始縮回走錯路的分支,只留下最短路徑,最後只剩下最短、最有效率的一條路線,完全沒有繞遠路。

這個實驗令日本運輸科學家渡邊信靈機一動,在培養皿中畫上東京的地圖,並在各大地鐵站放上麥片。由於黏菌不喜歡光,渡邊信在東京地圖上不適合進行工程的地區照光,模擬山坡、湖泊等不適合進行工程的環境。果然,黏菌很快的形成了一個東京地鐵路網圖,每一條都符合東京地鐵的工程師們精密計算過的最短路線。這個實驗被大量複製,例如美國科學家安德魯.阿達瑪斯基(Andrew Adamatzky)就用把麥片放在美國各大都市,黏菌畫出了美國高速公路路網圖;之後,他又把麥片放在歐亞大陸二十四個城市,畫出了重合度很高的絲路地圖。

黏菌畫出東京地鐵路網圖。來源:https://www.nytimes.com/2010/01/26/science/26obmold.html

 

●  搞笑諾貝爾獎之外

這項發現令中垣俊之贏得了2010年的搞笑諾貝爾獎(Ig Nobel Prize)。然而,除了贏得搞笑諾貝爾獎這件事,可以作為茶餘飯後的趣談之外,這個實驗還能帶給我們什麼啟示呢?

黏菌不具有任何神經系統,當然也不具備腦部這種構造,卻能得出和腦部發達的人類相同的計算結果。它們究竟是怎麼做到的呢?

德國馬克思普朗克研究所的米爾納.克拉瑪(Mirna Kramar)與凱倫.阿利姆(Karen Alim)在2021年發現,當黏菌碰觸到食物時,黏菌體內的管道管壁會軟化,使得管道變寬,更多的細胞質液能通過。最短路線的管道,由於接觸到的食物刺激最多,管道自然也最寬,最多細胞質液可通過;而那些繞路的管道,裡面的細胞質液都被導流到最短路徑去,自然就慢慢萎縮掉了。黏菌就是靠著這種方法,來「記住」通往食物最短的路徑。

這裡描述的「記住」是怎麼回事呢?一般而言,我們在討論「智慧」時,都只限於討論擁有腦部和神經系統的生物。然而,黏菌既沒有腦,也沒有神經系統,卻能做到記憶、決策等,與擁有腦部和神經系統的生物一樣的事情。仔細想想,我們的腦和神經系統,不也是透過化學物質和電流的變化,來反應和儲存資訊的嗎?這和黏菌使用管壁的軟化與否來進行記憶和決策,又有什麼本質上的差別呢?

黏菌的故事告訴我們,或許,人類對於「智慧生物」的定義需要改一改了。

 

 

參考資料:

  1. Nakagaki et al. Nature. 2000. https://www.nature.com/articles/35035159
  2. Science. 2000. https://www.science.org/content/article/slimy-not-stupid
  3. Kramar& Alim. PNAS. 2021.https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2007815118

 

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