Image may be NSFW.
Clik here to view.
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:
Image may be NSFW.
Clik here to view.
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.
Image may be NSFW.
Clik here to view.
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.
Image may be NSFW.
Clik here to view.
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».
Image may be NSFW.
Clik here to view.
Image may be NSFW.
Clik here to view.
Image may be NSFW.
Clik here to view.
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».
Image may be NSFW.
Clik here to view.
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 Iи Jбудет PIи PJ, соответственно, и что эти два узла соединены цилиндром длиной Lijи радиусом Rij.«Н» — вязкость жидкости, а Dij = PR4/8Hявляется мерой проводимости трубки. При том, что длина Lijявляется 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
Image may be NSFW.
Clik here to view.
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
Image may be NSFW.Clik here to view.