这些无脑的家伙比你想象的游得更好

许多微生物能够在液体中进行有目的的运动。但它们是如何在没有复杂神经系统的情况下做到这一点的呢？来自维也纳工业大学（TU Wien）的新研究提供了耐人寻味的见解。

细菌可以做到。变形虫可以做到。甚至你的血细胞也能做到。所有这些微小的生命形式都拥有令人惊讶的能力，能有目的地穿过液体。更令人惊讶的是，它们在没有大脑或任何中央控制系统的情况下就做到了这一点。

那么它们是如何做到的呢？来自维也纳工业大学、维也纳大学和塔夫茨大学的科学家们利用计算机模拟来寻找答案。他们的研究表明，简单的结构只需遵循非常基本的规则，就能以协调、高效的方式游泳，无需中央指令。

这一发现不仅有助于解释微生物如何运动，也为技术领域开启了激动人心的可能性。想象一下，微小的纳米机器人可以自主地在你的体内穿行，将药物精确地输送到需要的地方。

没有中央控制系统也能成功

“简单的微生物可以想象成由几个部分组成，有点像一串珍珠，”当前发表物的主要作者、维也纳工业大学理论物理研究所和塔夫茨大学艾伦探索中心的 Benedikt Hartl 说。“各个部分可以相对彼此移动。我们想知道：在什么情况下，这会导致整个生物体朝所需方向移动？”

如果有中央控制系统 —— 比如大脑或至少一个神经中枢 —— 这就相对简单。这样的中心可以向各个部分发出特定指令。很容易理解这如何导致协调的运动。

但单细胞生物体自然没有神经细胞，没有可以发出指令的中央处理系统。在这种情况下，协调的游泳运动是如何产生的呢？如果微生物的各个部分都按照非常简单的规则行事，这能否产生导致高效游泳的集体行为？

计算机模拟微生物

这个问题通过计算机模拟进行了研究：微生物被建模为由相互连接的珠子组成的链条。这些珠子中的每一颗都可以向左或向右施加力，但每颗珠子只知道其紧邻珠子的位置。它不了解生物体的整体状态或更远处的珠子。

“现在的关键问题是：是否存在一种控制系统、一套简单的规则、一种行为策略，让每颗珠子都能单独遵循，从而在没有中央控制单元的情况下产生集体游泳运动？” Benedikt Hartl 说。

Hartl 解释说，在计算机上，单个珠子 —— 即虚拟微生物的模拟部分 —— 被赋予了一种非常简单形式的人工智能，一个只有 20 到 50 个参数的微型神经网络：“‘神经网络’这个词在这里可能有点误导；当然，单细胞生物没有神经元。但这种简单的控制系统可以在细胞内实现，例如，通过非常简单的物理-化学回路，导致微生物的特定区域执行特定运动。”

现在，这种简单的分散控制系统被应用于计算机中，以寻找能产生最佳游泳行为的最有效的“控制代码”。使用该控制系统的每个版本，都让虚拟微生物在模拟的黏稠液体中游泳。

“我们能够证明，这种极其简单的方法足以产生高度鲁棒的游泳行为，” Benedikt Hartl 说。“尽管我们的系统没有中央控制，虚拟微生物的每个部分都按照非常简单的规则行事，但总体结果却产生了足以实现高效运动的复杂行为。”

生物学与技术

这个结果不仅有趣，因为它解释了非常简单的生物系统的复杂行为，它也可能对人工制造的纳米机器人有意义：“这意味着，通过非常简单的编程，也有可能创造出能够执行复杂任务的人工结构，”Andreas Zöttl（维也纳大学）说。“例如，可以想象制造出能主动寻找水中石油污染并帮助清除的纳米机器人。甚至是医疗纳米机器人，它们能自主移动到体内的特定位置，以靶向方式释放药物。”

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