黏菌:没有大脑,却能走出迷宫、复刻东京的地铁网

前沿研究 · 2026.09.26 · 3026 给未来留句话

2000年,日本科学家中垣俊之(Toshiyuki Nakagaki)在《自然》上发表了一个看起来像恶作剧的实验。他把一团黏菌放在一个迷宫的入口,出口放两片燕麦片——黏菌爱吃燕麦。二十多个小时后,黏菌的身体铺满了整个迷宫,形成了一张网络。真正让人愣住的是下一步:当它在所有可能的路径上都建立起连接之后,它开始收缩那些走不通的、以及绕远的管足,最后只留下从入口到出口最短的那一条。

黏菌没有大脑,没有神经,一个细胞里甚至有成千上万个细胞核。它做出这个决定,靠的只是身体各部分有节奏地收缩和放松。

这个生物叫多头绒泡菌(Physarum polycephalum)。名字里虽然带着一个"菌"字,它其实既不是真菌也不是细菌,而是变形虫那一支里的原生生物。平时它以单个变形虫细胞的形式存在,遇到食物充足、环境合适时,成千上万个细胞会聚成一个整体,铺开成一张黄色的网,这就是人们通常看到的那团"黏黏的东西"。它移动得极慢,一小时最多走几厘米。

它的"计算"过程并不神秘,靠的是一套机械反馈。黏菌的管足会周期性地收缩,把体内的原生质推向别处,收缩的频率受周围条件影响:食物方向上的管足收缩得更频繁,营养物质不断被泵过去,管足就越长越粗;反之,没有食物的方向管足会慢慢退化、消失。所以"最短路径"不是它算出来的,而是被这套正反馈"流"出来的——流量大的路留下来,流量小的路枯掉。

2010年,同一个团队把这个特性推到了更惊人的尺度。他们在关东地区的地图上摆上燕麦片,每一片代表东京都市圈的一个主要车站,然后让黏菌把它们连起来。结果黏菌长出的网络,与实际东京铁路网在结构上有相当高的相似度,而且在模拟单点失效时更不容易整体瘫痪。

也要讲清楚它"记忆"和"学习"的部分。2008年,研究者 Audrey Dussutour 和同事做了另一组实验:他们反复用无害但讨厌的物质刺激黏菌,一开始它会绕开,几次之后它就不再躲避了——研究者把这叫作"习惯化"(habituation),是一种非常基础的记忆形式。2012年,中垣团队又发现,如果每隔固定时间给黏菌一次冷刺激,它会在下一次刺激到来之前提前收缩。

这些能力被反复用来做"计算"。研究者让黏菌去近似求解旅行商问题,用它在复杂地形上做路径规划,甚至用它模拟古代道路网的演化。2018年有团队用黏菌设计过巴西和墨西哥部分城市的交通线方案。

但要注意分寸:黏菌不是在"思考",它给出的也不是精确解,而是一个需要人再去验证的近似解。它的价值在于证明了一件事——解决复杂的路径优化问题,不一定需要一个中枢系统。没有大脑,靠分布式的局部规则,也能得到一个结构相当不错的结果。

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