第4章
黏菌数学家

苏巴什·雷（Subash Ray）拉开抽屉，拿出一张污迹斑斑的纸。看上去就好像是他把咖啡洒在了一张便利贴上，然后把它扔进了抽屉——而不是垃圾桶——几天没管它。现在，雷要对它施展魔法了。

“我们将把它送进生命之春。”他说。

雷长着一张圆脸，戴着方框眼镜。他穿着牛仔裤，搭配了一件带有一只小小黑鹰标志的马球衫。他讲话轻声细语，有时我甚至听不太清他的解释，不得不让他再说一遍他在做什么。拜访雷和他的同事就是我此次纽瓦克之行的目的，雷在位于纽瓦克市的新泽西理工学院攻读博士学位，研究这些污点以及它们会变成什么。

雷伸手从高高的架子上取下一罐干燥的藻类提取物——琼脂。他把这罐琼脂放在实验室的椅子上，就像在超市里购物一样，这把椅子就是他的购物车。他把那张污迹斑斑的纸也放在了椅子上，但为了能妥善保存，雷已经把这张纸放进了一个透明的玻璃杯中。他还找了两个烧杯和一个家用搅拌器。

椅子装得满满当当，雷把它推到实验室的另一个房间里。我和雷的导师西蒙·加尼耶（Simon Garnier）一起跟在他后面。这位留着红胡子的生物学家是法国人，穿着连帽衫，平时喜欢打欧洲手球——“就像陆地上的水球”，他徒劳地向我这个困惑的美国人解释说。

雷走到一个水槽前，给一个电热水壶加满水，打开开关。他把烧杯放在实验台上，等水烧热后倒进去，加满。在他搅拌琼脂时，他的搅拌器不断地碰到烧杯壁，叮当作响。搅拌好之后，他把混合物倒入了一个空的培养皿中。

等到琼脂冷却，凝固成一层牢固的黏性物质后，雷拿起一把镊子，从玻璃杯中取出那张污迹斑斑的纸，将它放入培养皿中的琼脂上，用镊子压实，然后在上面喷了点水。

雷随后把水槽旁的那把椅子移到了一个没有窗户的房间里，房间里非常闷热而且很潮湿——这是许多生命体都喜欢的生长环境。房间靠墙的位置摆着几张桌子，上面有几个很大的白色箱子。雷转动一个箱子上的旋钮，向上打开了它的门。我看到箱子里有两条并列的金属轨道，轨道上安装了三台配有闪光灯的相机，镜头朝下。雷把装有那张纸和黏性物质的培养皿放在了其中一台相机的下方。

加尼耶坐在一台笔记本电脑前，开始输入命令。过了一会儿，箱子里泛起了一片白光。接着，相机的闪光灯闪了一下。当箱子再次暗下来时，我们离开了房间。房间里的相机会继续执行加尼耶输入的命令，每隔5分钟为培养皿拍一张新照片。

那天晚上，加尼耶带我和他的几位生物学家同事一起出去吃晚饭。我们沿着雷蒙德大道往前走，街上随处可见一种生命——人，以及他们的建造物，建造物的种类多种多样：小美甲店和大型仓库，空荡荡的待出租装饰艺术风格建筑，还有挤满了等车乘客的公交车站。我们来到当地一家精品小餐厅，围坐在一张木桌旁，在嘈杂喧闹声中大声讨论着生命体这个话题。当时在场的所有生物学家的研究工作都是基于这一主题展开的。他们谈到了只有逗号大小的线虫的神经系统，还谈到了斑马鱼透明的身体。与此同时，加尼耶实验室里的相机整个晚上每隔5分钟就会闪一次光。

第二天一早，我又来到了位于中央国王大楼的实验室。我们再次进入闷热潮湿的照相室，观察镜头下的培养皿。污迹消失了，取而代之的是一个银币大小、柠檬色的斑点。斑点的“触手”已经伸到了纸的边缘，爬满了整个培养皿。看到这样的变化，加尼耶笑了。

“嗯，它们还活着，”他说，“它们没怎么动，但还活着。”

在仔细观察这个小点时，我发现它本身其实就是一团小小的“触手”，从培养皿的中心向外伸展时，这些“触手”一次又一次地分叉。就在我低头看着这堆“触手”时，它们依旧在分叉，但分叉的速度很慢，而我的观察时间又很短，所以我根本察觉不到。

雷施展魔法，赋予生机的生物叫多头绒泡菌（ Physarum Polycephalum ），又被称为多头黏菌（multiheaded slime mold）。在纽瓦克的大街上是找不到黏菌的，但在城外几英里处的森林保护区里——鹰岩自然保护区和大沼泽国家野生动物保护区——可以寻觅到它们的身影。在温度适宜的潮湿夏日，你可以在保护区内腐烂的树木上，或者蘑菇的伞盖上，发现它们织就的金丝网。在地球上任何一片有森林生长的地方，你几乎都可以找到黏菌——绒泡菌或者数百种黏菌中的其他某一种。它们奇特的外表激发了人们的直观感受，一些黏菌获得了诸如“狼奶”“狗的呕吐物”这样直白的名字。

经过一个夏天的生长，绒泡菌开始产生孢子，为越冬做准备。除孢子外，黏菌的其他部分在冬天会变成无生命的黑色空壳，只有孢子能够在寒冷的环境中生存，等春天来到，它们又会开始生长。但如果这一循环被灾难打破——比如发生干旱或者树木倒塌使森林的地面暴露在强烈的阳光下，绒泡菌就会采取紧急措施。它的整个身体会完全脱水，变成一种毫无生气的易碎形态，称为菌核。菌核脱落成小碎片，随风飘扬。如果其中一块小碎片落在了潮湿的土地上，它就会复活。黏菌研究人员只需在一张滤纸上放一小块活的绒泡菌，然后让它完全变干，就可以得到菌核。他们可以将菌核储存几周甚至几个月。一旦他们把菌核放入装有琼脂的培养皿中，他们就可以让黏菌再次焕发活力，迎来生命的春天。

相机的闪光灯划破夜的黑暗，以雷的黏菌为主角，拍摄了一部定格电影。为了让人们了解这个过程，这部电影以倍速展示了污迹如何变成金色，然后不断膨胀，离开纸的边缘，在琼脂上散布开来。当天晚些时候，纸的背面也出现了黏菌不断伸展的“触手”。现在，黏菌爬满了整个培养皿。

它的运动不是重力作用于被动物质的结果。黏菌并不是像水滴一样扩散开来的。它正在展示的是生命的一项特征：它正在使用自己储存的燃料、自己的蛋白质、自己的基因中编码的逻辑——所有生命体中都有的组合，来决定下一步要做什么。它有专门的决策中心。它在狩猎。

与加尼耶一起工作的研究生和博士后团队是一支兼收并蓄的队伍。有些成员到纳米比亚给狒狒戴上项圈，追踪它们的行动，记录它们的叫声。他们正在研究狒狒是如何通过交换彼此的位置信息来维系群体联系的。还有一名学生在巴拿马研究行军蚁，想弄清楚数以百万计的行军蚁如何利用它们的身体建造出一个活的巢穴，其中还包括为它们的女王打造的房间。说到决策，人们一般会想到人类的大脑。人类的大脑丰满、复杂，还可以用文字来表述对未来的看法。我们人类的大脑比蚂蚁的脑大几万倍，而蚂蚁可以用它们自己的身体共同建造一座房子。压根就没有大脑的黏菌更是提炼出了生命决策的精髓。“我真正喜欢的是，它回到了智力的起源。”加尼耶告诉我。

在森林里，黏菌搜寻的目标是细菌和真菌的孢子。它将“触手”伸向原木和土壤，直到找到猎物。当黏菌爬过猎物的身体时，它会分泌出一种能够切割细胞的酶，然后将切割的细胞碎片“一饮而尽”。“这是一个移动的胃。”加尼耶说。

当雷为了向我展示而让他的黏菌复活时，它开始寻找食物，但雷并没有给它提供食物让它寻找。为了让我看看黏菌是怎么发现它的下一顿饭的，雷做了一个新实验。他把三块煮熟的燕麦放在琼脂上，摆成三角形。

雷说：“如果你会煮燕麦粥，你就能把黏菌养大。”我抬头看了一眼，注意到实验室架子上摆着一排排桂格燕麦片的罐子。罐子上的白发老人低头看着这些科学家，脸上挂着殖民地时期的微笑。

“它们喜欢传统燕麦片。”加尼耶说—— 它们 是指黏菌。更准确地说，它们喜欢生长在传统燕麦片上的细菌。看来，早餐都不是无菌的。

雷在培养皿中间放了一团活的绒泡菌。它无法看到燕麦片在哪里。但它可以尝到糖和其他分子的味道，这些从食物中释放出的分子通过琼脂进一步扩散。当黏菌的“触手”从中心向外伸展时，这些“触手”表面的蛋白就会接收这些信号。然后，它利用一套简单的规则来寻找食物。

每只“触手”移动时，它会比较其路径上各个点的分子浓度。如果浓度下降，黏菌就会停止向那个方向伸展“触手”。如果浓度上升，它就会继续探索。雷把黏菌放到培养皿中间几个小时后，它的“触手”已经伸到了放着燕麦片的三个地方。当它们渗入燕麦片时，燕麦从灰白色变成了金色。

由于黏菌没有大脑发出指令，所以科学家们通过黏菌可以了解到一个非常关键的信息——生命的决策能力是如何从生物化学中显现出来的。科学家们发现了黏菌使用的一整套简单又巧妙的生存规则。为了让我见识一下黏菌诸多高超技艺中的一项，雷又做了一个实验，这是加尼耶之前的一名学生于2012年首次做的实验。他为黏菌建造了一个死胡同。

这个死胡同建造起来很简单。雷用剪刀把一张醋酸纤维素膜剪成这样的形状：|_|。他把剪好的醋酸纤维素膜放在培养皿中。黏菌只能在潮湿的表面爬行，所以干燥的醋酸纤维素膜对它们来说就像一堵高高的砖墙一样，难以逾越。

然后，雷在死胡同的开口处放了一勺绒泡菌。在开口处对应的另一侧，他滴了一滴糖水。死胡同的墙就位于这两者之间，但糖可以偷偷地从它下面溜出来，通过琼脂扩散，用它的香味挑逗黏菌，引诱黏菌进入陷阱。

第二天，当我们回来查看黏菌的情况时，它已经逃出了死胡同。在看这部通宵拍摄的关于黏菌出逃的电影时，我感觉自己就像是一个正在调查越狱的警卫。黏菌循着糖的踪迹进入死胡同，撞上了醋酸纤维素膜的墙。但它没有放弃，继续搜寻。它向两边都伸出了“触手”。左边的分支最终触到了墙角，之后开始折返，离开了陷阱。然后，它们转过来，沿着墙的外侧，朝着糖爬去。

黏菌利用一种没有大脑的记忆实现了这样的逃逸。它们不断伸出探测“触手”，如果“触手”没有探测到关于食物浓度的递增信号，它们就会回缩。这些“触手”在回缩时，会留下一层黏糊糊的物质。绒泡菌能够觉察到自己的踪迹，然后引导自己的新“触手”绕开它们。这种外部记忆可以让黏菌克制自己对糖的迷恋。所以它可以走出死胡同，探索新的路径来寻找食物，而不是将自己多头的脑袋撞到醋酸纤维素膜的墙上。我们需要用大脑来记忆，但绒泡菌没有这样的器官。虽然没有大脑，但绒泡菌储存了它在外部世界种种经历的记录。

黏菌已经解决了远比这更复杂的问题。例如，日本科学家中垣俊之发现，黏菌可以找到通过迷宫的最短路径。他将一块塑料板切割成许多通路，然后把切割好的塑料板放在一层琼脂上，黏菌的迷宫就搭建好了。中垣俊之和他的同事在迷宫的一个开口处放了一片覆盖着黏菌的燕麦片，在另一个开口处放了更多的燕麦片。黏菌在迷宫中不断伸出新的“触手”，探寻每一条可能的路径。当黏菌在迷宫的另一个开口处找到燕麦片时，它就开始同时享用这两处食物，并缩回那些走入死胡同的分支。最终，黏菌精简了伸出的“触手”，仅剩一只“触手”的黏菌绘制出了一条穿越迷宫的路线。在中垣俊之设计的这个迷宫中，黏菌寻找食物的可行路线一共有四条。中垣俊之发现，黏菌最终总会找到那条最短的路线。

一些科学家还给黏菌出了另外一些难题，这些难题与它们在森林地面上的生活更加息息相关。在自然界中，黏菌不是在迷宫的两端找到食物的，它们可能会遇到散布在原木上的成片的食物。如果黏菌能一次性吃掉所有食物，它们就会长得更快。但是，为了能接触到所有食物，它们必须付出建造“触手”的新陈代谢成本。如果建造过多的“触手”，它们消耗的能量将超过它们从食物中获取的能量。

事实证明，黏菌非常擅长找到这一问题的有效解决方案：它们能找出同时通往几处食物的最短路径。中垣俊之和其他黏菌专家做了许多实验，想了解黏菌究竟是如何做出这些复杂选择的。他们把燕麦洒在培养皿上，观察绒泡菌如何找出解决方案。它并没有形成单一的之字形通路，而是构建起一个网络，以最短的可行路线将所有燕麦连接起来。在一项实验中，科学家们制作了一张美国地图，用燕麦片代表那些最大的城市。黏菌这次的作品看起来非常像美国州际高速公路系统。此外，黏菌交出的作品还包括东京地铁线路和加拿大交通网络的近似图。让数学家们感到不安的是，黏菌能在几天内解决这类问题，而他们为此忙活了几个世纪。

还有一个问题难倒了一代又一代的数学家，那就是背包问题。假设你正在为徒步旅行做准备，你必须决定要在背包里装什么。有许多在旅行中基本都用得上的物品可供选择，但你也得注意所选物品的重量，因为你的背包不可能装下无限多的东西。你可以在背包里塞一副扑克牌，这样如果在山上遇到下雨的早晨，你就可以用扑克牌来打发时间。但你肯定不会仅仅为了不让自己感到无聊，就把一副40磅重、用皂石雕刻的国际象棋塞进背包。数学家们对这一选择问题加以提炼，概括成了一种纯粹的抽象形式。你拥有一组物品，其中每件物品都有自己的价值和重量。现在，你必须找出限定重量范围内价值最高的物品组合。

许多企业都面临着现实版的背包问题。航空公司要解决的现实问题是，飞机应该如何装载才能用最少的燃料运输一批总价值最高的货物。金融公司在面对具有不同回报潜力的项目时，则致力于寻找其中的最佳投资组合。然而，仅凭一个简单的方程式是无法解决背包问题的。对此，研究人员著书立说，提出了许多策略，旨在让我们更接近最佳解决方案。

黏菌可能不会写书，但它们可以解决背包问题。法国图卢兹保罗·萨巴蒂尔大学的科学家奥黛丽·杜苏图尔（Audrey Dussutour）和她的同事将这个问题翻译成了对黏菌很重要的术语——食物，让它们得以施展自己的才华。为了尽可能长得更快一些，绒泡菌需要蛋白质和碳水化合物。结果显示，绒泡菌所需蛋白质和碳水化合物的最佳配比是2∶1。

杜苏图尔让绒泡菌在两小块食物之间做选择，这两小块食物都很不理想。其中一块食物的蛋白质和碳水化合物比例是9∶1，另一块是1∶3。如果黏菌触到第一块食物，只吃这一块，那它就无法摄取足够的碳水化合物。反过来，如果只吃第二块食物，它又会缺乏蛋白质。

面对杜苏图尔提供的这两个糟糕选择，黏菌找到了解决办法，将其变成了一个不错的选择。它长出“触手”，不断搜索，找到这两小块食物。最终，黏菌构建的网络瓦解，形成一条连接两小块食物的高速公路。但只是将这两块食物等比例混合在一起并不能给黏菌提供理想的饮食。因此，比起富含碳水化合物的那块食物，黏菌吃了更多富含蛋白质的食物。通过这种方式，黏菌使自己摄取的蛋白质和碳水化合物接近2:1的理想比例。杜苏图尔还做了其他一些相关实验，为黏菌精心搭配了多种食物，而黏菌总能找到平衡这些食物比例的办法。换句话说，它们知道如何在自己的背包里装上恰当的补给搭配。

随着黏菌研究人员进行更多这样的实验，绒泡菌在森林里蓬勃生长的秘密逐渐被揭开。黏菌接收它所触及的所有东西的信息，如果遇到细菌和孢子丰富的地方，它会朝着这些盛宴移动。如果爬到了阳光下，它会缩回到阴凉处。它可以不断调整自己的网络，精确程度就如同数学家们计算出来的一样，以便能够花费最低的成本享用最丰盛的食物。这一策略非常奏效。如果条件适宜，黏菌可以长得像地毯一样大。

我好奇地问加尼耶，黏菌究竟是怎么解决这些问题的。他耸了耸肩，说道：“欢迎来到黏菌的美丽世界，一个神秘的未知世界。”

但他的一名研究生——阿比德·哈克（Abid Haque）——愿意向我展示他和加尼耶怀疑隐藏着某些答案的地方：黏菌金色的“触手”。

来到纽瓦克之前，哈克一直在印度理工学院古瓦哈蒂分校学习机械工程。一个夏季的研究项目让他对绒泡菌产生了极大的兴趣，现在，他在加尼耶的实验室攻读博士学位。我们见面的那天，他穿了件黑色的T恤，上面印着维多利亚时代风格的黏菌版画图案：金丝装饰的孢子笼、蝌蚪状的性细胞，以及看起来非常有弹性的树状绒泡菌网络。

哈克小心翼翼地剪下一英寸长的黏菌“触手”，把它带到一个光线昏暗的显微镜室。他静静地旋转着显微镜上的旋钮，几秒钟后，他感叹道：“哦，太棒了。”

在我低头看向载玻片时，我的眼睛花了好一会儿才适应，我的大脑也花了好一会儿才弄清楚我看到的是什么。然后，在一瞬间，我看到了一条正在流淌的绿色河流，水流中还夹杂着一些深深浅浅的颗粒。过了一会儿，河水的流速慢了下来。水流中的颗粒也缓缓地滑行，最终停了下来。片刻宁静之后，河水开始倒流，将颗粒推向与之前相反的方向。

颜色较浅的颗粒含有黏菌用来分解食物的酶。而颜色较深的颗粒是它的细胞核，也就是黏菌保存基因的微囊。我们人类的细胞中也有细胞核，但通常每个细胞只有一个细胞核。当细胞一分为二时，它会产生一个新的细胞核，这样每个新的细胞就会继承它自己的一套DNA。黏菌也可以制造新的细胞核，但它们不会费心将它们的细胞一分为二。所以，每个黏菌——无论是在培养皿中的还是在森林地面上铺展开来的——都是一个巨大的细胞。

加尼耶说：“整体上看，它只是一个细胞，这让人难以置信。”

绒泡菌（ Physarum ）这个名字源自希腊语，意思是“小风箱”。博物学家们可能是用肉眼观察到了黏菌金色织网中的脉动，才给它取了这个名字。早期研究黏菌的科学家们无法确定它们产生脉动的原因。直到1900年代，生物学家才一睹构成黏菌的分子。

每只“触手”都被微小的丝状骨架包裹着，但“触手”并不是像埃菲尔铁塔那样的刚性桁架。黏菌不断地建造新骨架，拆除旧骨架。它会将骨架组建成一个紧密的网络，这个网络可以夹紧“触手”，推动里面的液体移动。如果网络松开，“触手”壁就会松弛，液体就会回流。

不断地挤压和松弛让黏菌看上去就像是一个跳动的网状心脏。脉动推动颗粒形成波浪，这些波浪又会在整个网络中产生涟漪，它们相互碰撞，使黏菌形成更加复杂的图案。

哈克和加尼耶有一种猜想，他们认为这些波浪可能是单细胞黏菌的信息中继，让它能够了解周围的环境，并将其接收的信息整合到基于波的大量计算中，这样黏菌就可以决定下一步该做什么了。

为了破译这种波浪语言，哈克先做了一个简单的实验。他将几英寸长的黏菌“触手”放在培养皿中。每条“触手”中都有波浪来回涌动。哈克在培养皿两端、黏菌够不到的地方分别放了一小块食物。一块食物富含燕麦，另一块的燕麦含量则相对较少——因此比较不理想。黏菌发现了食物，开始向两个方向伸展触角。哈克发现，当它探寻到这两处食物时，它的波动发生了变化。

哈克和他的同事们发现，波浪更加频繁地涌向美味的食物，不理想的食物则受到冷落。随着波浪的改变，黏菌本身也发生了变化。享用美食的那部分“触手”末端的骨架脱落了，引起黏菌膨胀。一些研究人员提出的理论认为，在黏菌膨胀的同时，吃到不理想食物的“触手”末端的管壁会逐渐硬化。结果就是，黏菌从不理想的食物里面爬出来，吞噬美味的食物。

“这就像你到了一个好地方，你的肌肉就会逐渐减少，”加尼耶告诉我说，“但没关系，因为你在一个好地方。”

加尼耶觉得，如果你到了一个好地方，让你的肌肉减少是一种智慧。他认为，智慧不是智商测试的结果，也不是学习荷兰语的能力。智慧是生命的一项特征：以一种有助于维持有机体存活的方式对不断变化的环境做出反应的能力。

加尼耶解释说：“如果将有机体的表现与随机的情况做个比较，你就会发现，有机体表现得更出色。”我们需要一个充盈的大脑帮助我们取得比随机更好的表现，但也许在“触手”构成的网络中涌动的细胞波浪就足以做到这一点。

“黏菌，”加尼耶说，“将这一原则发挥到了极致。” DtJjcQ6nPaPU+WhmIGxLXucjC5SiJiYM/vHR1BrJY2nuX4ZTvF7PSUUIhfaOHtbO