Необъяснимый гений плесени Physarum Polycephalum
На первый взгляд, Physarum polycephalum не вызывает особого интереса. Растущая в основном на продуктах разложения в лесах, эта ярко-желтая плесень явно не наводит на душеспасительные мысли. Еще менее впечатляющим представляется структурное строение организма: одноклеточный, имеет лишь остаточное количество ДНК, протеинов и энзимов, к тому же разрастается с ничтожной скоростью — всего 1 миллиметр в час.
Однако, несмотря на все перечисленные недостатки, эта плазмодиальная слизневая плесень считается в удивительной степени разумной. Преодолевая искусственные лабиринты, воссоздавая сложные, спроектированные человеком траектории, избегая при этом тенденции к повторению, данный организм сосредоточил на себе внимание множества ученых по всему миру.
Ниже приведены результаты трех исследований, раскрывающих экстраординарные способности Physarum polycephalum.
Решение проблемы кратчайшим путем
В 2001 году была сформирована команда исследователей из Университета Хоккайдо (Япония), дабы изучить способность данного организма прокладывать пути через лабиринты.
Образец плесени был разделен на несколько фрагментов и затем равномерно размещен в поле лабиринта. В течение нескольких часов плесень разрослась, связав все разрозненные фрагменты и заполнив практически все возможные пути. А когда исследователи поместили небольшие кусочки овсяных хлопьев при входе и выходе из лабиринта, произошло нечто удивительное:
Слизь проходит лабиринт в поисках пищи
Медленно, но верно, слизь выползла из каждого тупика лабиринта, и сконцентрировалась на наиболее эффективной траектории, ведущей к еде. «Отдельные толстые венообразные формы», как писали исследователи, «соединяющие две точки траекторией, максимально приближенной к кратчайшему пути».
Эксперимент повторялся множество раз, выдавая один и тот же результат: имея стремление выжить в качестве основной задачи, плесень «меняла собственную морфологию в рамках лабиринта, формируя одну плотную «трубу», ведущую напрямую к источнику пищи.
Physarum polycephalum прокладывает путь через лабиринт осмысленно и последовательно; Источник: формирование траектории путем трубочного морфогенеза у амебных организмов (Накагаки,2001).
Как итог эксперимента, ученые постановили, что данный организм обладает неким зачаточным подобием разума. «Эффективный процесс нахождения оптимального решения в рамках лабиринта может расцениваться в качестве клеточного вычисления плазмодия внутриклеточными материалами».
Способность обучения и изменения поведения
Physarum polycephalum крайне заинтересовала ученных из Университета Хоккайдо. Семь лет спустя они провели еще одно исследование, направленное на изучение возможности слизневого организма предугадывать и вспоминать события, несмотря на отсутствие мозга.
В рамках эксперимента образец плесени был помещен на лист пластика, после чего ему позволили разрастаться в специально созданных идеальных условиях (повышенная температура, влажность); каждые 10 минут измерялась крайняя точка роста. Затем, с равными интервалами, образец подвергался внезапному воздействию холодного и сухого воздуха, в ходе которого плесень сильно замедляла интенсивность роста.
Дальше случилось нечто неожиданное: после нескольких интервалов, слизневая плесень начала «предугадывать» момент, в который она должна была подвергнуться воздействию холодного воздуха, и заранее замедляла свой рост, дабы сэкономить энергию.
Черные столбцы отображают моменты времени, в которые плесень замедляла рост в ожидании воздействия холодного, сухого воздуха
Определение интервалов, или «периодичности», не такая легкая задача — даже для человека. «Когда древние египтяне вычислили периодичность разлива реки Нил и успешно предсказали следующее затопление его берегов, этот прорыв подтолкнул людей к созданию календаря, что стало символом рассвета цивилизации», отмечают ученые. «Это лишь подчеркивает невероятность того, что одноклеточный организм способен на подобную функцию».
В результате исследователи установили, что изучаемый организм обладает способностью к обучению, несмотря на полное отсутствие какого-либо подобия мозга.
Способность формирования сетей
В 2010 году японские ученые вновь погрузились в неизведанный мир Physarum polycephalum — на этот раз для того, чтобы выяснить, способен ли данный организм формировать эффективные сети.
Они воссоздали миниатюрную версию схемы Токийского железнодорожного транспорта, используя овсяные хлопья для отметки расположения городов и образец слизневого организма на кусочке овса, представляющий собой Токио. Разумеется, строительство настоящей железнодорожной сети было обусловлено особенностями естественного рельефа (горами, реками и т.д); данные препятствия были воссозданы с помощью отдельных источников света разной интенсивности, ибо плазмодии избегают яркого освещения.
«Плазмодии Physarum разрослись из “Токио” и в первую очередь заняли большую часть доступного пространства», пишут исследователи, «чтобы далее сконцентрироваться вокруг хлопьев, истончая образовавшуюся сетку и оставляя лишь более толстые соединяющие трубки».
Большое желтое пятно представляет Токио и ту точку, где изначально был размещен образец Physarum; отсюда слизистая плесень распространилась на маленькие белые точки (представляющие собой основные близлежащие города), и истончилась далее только до основных связей между ними. На данный процесс у организма ушло лишь 26 часов.
После многочисленных испытаний исследователи пришли к выводу, что плесень «показала характеристики, схожие с характеристиками железнодорожной сети с точки зрения стоимости, транспортной эффективности и отказоустойчивости», — и ей удалось этого добиться путем создания «процесса селективного усиления предпочтительных маршрутов и одновременного удаления избыточных связей».
Используя полученные результаты, команда ученых разработала биологически вдохновленную математическую модель для адаптивного проектирования сети. В теории, они предполагают, что данная формула может быть использована в качестве отправной точки для начала «производства [транспортных] решений, равных или превосходящих по своим свойствам имеющиеся инфраструктурные решения».
Начальная форма плазмодий представляет собой случайным образом сформированную решетчатую структуру с относительно тонкими интервалами. Краями служат плазмодиевые трубки, служащие протоками для протоплазмы, и узлы соединения между ними. Предположим, что давление в узлах I и J будет PI и PJ, соответственно, и что эти два узла соединены цилиндром длиной Lij и радиусом Rij. «Н» — вязкость жидкости, а Dij = PR4/8H является мерой проводимости трубки. При том, что длина Lij является постоянной, поведение сети описывается проводимостью (Dij) ее краев. Источник: Правила биологически обусловленного адаптивного сетевого дизайна (Накагаки, 2010)
«То, на что у людей ушло более 100 лет — сложная система, разрабатываемая инженерами и градостроителями — было воссоздано плесенью чуть более, чем за сутки» — заявила биолог Хизер Барнетт (Heather Barnett) на конференции TED, посвященной этим организмам. «Миксомицеты — аналог биологического компьютера».
Плесень эпохи Ренессанса
Полезность Physarum polycephalum не сводится к результатам вышеперечисленных исследований. Ее особенности были использованы для создания музыки, проектирования моделей биологических вычислительных устройств и изучения стратегий совместной работы.
Будучи заинтригованной этими способностями, Хизер Барнетт создала The Slime Mould Collective, портал для научных исследований и творческой практики, связанной с этими «простыми, но при этом столь развитыми организмами». Здесь ученые и художники встречаются с программистами, дабы обсудить непостижимые тайны плесени.
Но как получилось, что одноклеточный организм может быть столь умным без наличия какого-либо подобия центральной нервной системы или мозга? Ученые и сегодня прилагают множество усилий, дабы полностью постичь всю суть P.polycephalum, но основные догадки основаны на особенности движения и роста этой плесени.
«Внутри таких организмов существует непрерывная ритмическая пульсация», говорит Барнетт. «Возможно, именно это синхронное, непрерывное движение и позволяет организму сформировать понимание окружающей его среды».
Высоких вам конверсий!
Источник: priceonomics.com, Image source: McCollCenterNC