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一只无聊的阿米巴虫破译了宇宙结构密码？

晰数塔互联网快讯
2020-09-29 20:30

本文来自微信公众号：中国国家天文（ID：chineseastronomy），作者：廖红艳，题图来自：视觉中国

第20届“搞笑诺贝尔”（IgNobelPrizes）颁奖仪式上，日本北海道大学的数学生物学家中垣俊之（Toshiyuki Nakagaki）举起发言稿对观众说：“这是一封来自聪明的多头绒泡菌（Physarum polycephalum）的信”。然后，他开始绘声绘色地读了起来：

“我是一只无聊的阿米巴虫，常在人类的花园中漫游，希望能与达尔文邂逅。但是，一群强盗科学家把我抓住，放进培养皿，用食物引诱我建造东京地区的交通网。虽然我只是一个没有大脑的单细胞生物，但寻找最短路径是我的强项，看到我的杰作你们一定感到很惊叹吧。”

2010年9月30日，第20届“搞笑诺贝尔奖”（IgNobelPrizes）颁奖仪式上，日本北海道大学的数学生物学家中垣俊之（Toshiyuki Nakagaki）发言。/ wikipedia

神奇的斑点

中垣俊之在研究中用到的多头绒泡菌，是黏液霉菌大家族中的一个成员。多头绒泡菌一般呈亮黄色，通常生长在森林地面腐烂的原木和枯枝落叶上，有时也出现在草坪上。在野生状态下，它们可能长得很“胖”，长成一个巨大的黄色海绵状球体，直径达数十厘米，也可能很不起眼，仅仅是落叶上一个蛋黄酱似的黄斑；而在实验室的培养皿中，它们会沿着琼脂变成薄薄一层，并长出像珊瑚一样的漂亮分枝。

多头绒泡菌一般呈亮黄色，是黏液霉菌大家族中的一个成员，堪称地球上最怪异的生命形式之一，通常生长在森林地面腐烂的原木和枯枝落叶上。

在2010年的研究中，中垣俊之和同事设计了一个特殊的培养盒子，盒子内模拟了日本关东地区的地形。然后，他们将最大块的食物放在盒子里模拟东京的中心位置上，而其他小块食物则被分散放置在盒子里模拟关东地区36个主要车站的位置上。随后，他们又利用多头绒泡菌对光线敏感的特性，用光斑模拟了铁路无法穿越的一些地形障碍，比如湖泊、高山等。

中垣俊之设计的模拟日本关东地区地形的培养盒，将多头绒泡菌放在东京的位置，让它们从中心向外生长。为了高效地觅食，多头绒泡菌开始有组织地向外扩散，并逐步建立了一个复杂的丝状网络（左图）。更为有趣的是，中垣俊之和同事发现，它们形成的复杂网络系统，在功效、可靠性以及成本上都堪比真实世界的东京铁路网（右图）。

最后，中垣俊之和同事将多头绒泡菌放在东京的位置，让它们从中心向外生长。他们看到，为了高效地觅食，多头绒泡菌开始有组织地向外扩散，并逐步建立了一个复杂的丝状网络。更为有趣的是，中垣俊之和同事发现，它们形成的复杂网络系统，在功效、可靠性以及成本上都堪比真实世界的东京铁路网。

多头绒泡菌的不俗表现让它声名鹊起，甚至将魅力发散到了生物学界外的其他专业领域。

2010年3月，受多头绒泡菌解决最短路径问题的启发，英国西英格兰大学（University of the West of England）的非传统计算机科学家杰夫·琼斯（Jeff Jones）和同事将多头绒泡菌的行为规则制作成了二维模型，开发了一个用于解决经典数学问题——寻找连接多点的最短距离的算法。而柏林艺术家赛吉·詹森（Sage Jenson）则在后来将基于模拟黏液霉菌生长的算法可视化，作为艺术品呈现出来。

柏林艺术家赛吉·詹森（Sage Jenson）将基于模拟黏液霉菌生长的算法可视化，作为艺术品呈现出来。/ sagejenson.com

看过詹森的作品后，加利福尼亚大学圣克鲁斯分校的天文学家乔·伯切特（Joe Burchett）、计算机科学家奥斯卡·埃莱克（Oskar Elek）和他们的同事们萌发了一个更大胆的想法，他们打算用多头绒泡菌生长模型来模拟宇宙中最大的结构——宇宙网。

宇宙的脚手架

1985年，哈佛-史密松天体物理学中心（Harvard–Smithsonian Center for Astrophysics）的天文学家通过红移调查，绘制出了我们周围1100个星系的分布地图，并惊讶地发现，星系在空间中的分布几乎是随机的，它们似乎分布在“泡沫”的表面上，中间是较大的“空洞”，星系就围绕在这些空白区域的周围。这是天文学家首次意识到，宇宙可能是以类似网状结构形式存在。

1989年后，天文学家又陆续发现了许多比超星系团更大、跨度达上亿光年的结构，包括超星系复合体（supercluster complex）、星系长城（galaxy wall）和大尺度片状结构（galaxy sheet）。再后来，包括斯隆数字化巡天（Sloan Digital Sky Survey，SDSS）在内的许多天文观测越来越清晰得显示，这些比超星系团尺度更大的结构，以及这些结构围成的巨大空洞一同构成了宇宙中最大尺度的结构，也就是宇宙的脚手架——宇宙网。

宇宙大尺度模拟图。/ NASA

对数亿恒星和星系进行的大规模巡天，让我们有机会窥探到宇宙网的“冰山一角”。但其实，我们能观察到的只是宇宙网中很小的一部分，因为宇宙网中的物质中有85%是暗物质。暗物质仅通过引力与宇宙其余部分相互作用，无法直接被观察到。但幸运的是，暗物质会将一些常规物质拖入其中，这些常规物质就像海岸上的灯塔一样，提示我们隐藏的暗物质潜伏在何处，为我们勾勒出了宇宙网幽灵一般的轮廓。

发光星系之间的稀薄物质，常常绵延数百万光年，这些气体细丝是宇宙网中最难研究的部分，虽然天文学家已经在理论上预言了它们的存在，但由于它们非常微弱，一直以来都很难探测，而这正是加利福尼亚大学圣克鲁斯分校的科学家们想要利用多头绒泡菌挑战的课题。

视觉的盛宴

伯切特（Borchert）是加利福尼亚大学圣克鲁斯分校的天文学家和天体物理学家，他一直在寻找一种大规模可视化宇宙网的方法。埃莱克（Elek）则一直对大自然中的图案着迷，他的专业是计算机科学，主要从事视觉计算方面的工作。

最初，当埃莱克建议伯切特使用多头绒泡菌来做研究时，伯切特的内心是怀疑的。但埃莱克没有放弃，他和同事将琼斯之前开发的二维模型扩展到三维，并进行了一些调整，创建了一种称为“蒙特卡洛绒泡菌机器”（Monte Carlo Physarum Machine）的新算法。

抱着试试看的心态，伯切特为新算法提供了37000个星系的数据，这些数据来自斯隆SDSS项目。算法开始运行了，它模仿多头绒泡菌，将较大的星系当成大块的食物，较小的星系当成小块的食物，然后编织出了一张网，用最短的距离将所有星系连结在一起。

天文学家使用粘液模子模型揭示宇宙网结构。这个复杂的丝状网络是通过将37000个星系的位置和质量的数据输入到基于黏液霉菌生长模式的算法中而创建的宇宙网的重建。下图是小区域的展开图，左侧显示了底层星系，右侧显示了叠加在星系上的宇宙网的细丝。/ NASA

埃莱克将计算机模型运行的结果，发给伯切特。伯切特立即被图片呈现出的艺术化视觉效果震惊到了。“那一刻，我的态度发生了转变，生成的宇宙网（与以前的模型相比）非常吸引人，”伯切特说，“我相信基于多头绒泡菌的计算机模型是我们研究的新方向。”

当然，伯切特明白，模型结果与宇宙网的预期结构在视觉上强烈相似，并不能证明什么。他们需要进行测试、调整，以完善和验证模型。首先，他们将新模型与另一个模型进行了比对。加利福尼亚大学圣克鲁斯分校物理学教授乔尔·普里马克（Joel Primack）开发的Bolshoi-Planck模型，是公认的、迄今为止最准确的宇宙大尺度结构模型，它显示了大尺度下暗物质的分布，包括形成星系的巨大暗物质晕（环绕在星系外围的暗物质）和连接它们的细丝。

自然环境里的黏液霉菌网状分布。/ wikipedia

研究人员将新算法得出的结果与原模型的结果进行比较后，他们惊喜地发现，两者存在很强的相关性，新模型基本上复制了原模型中的网络细丝。随后，根据比照结果，研究人员对新模型的参数进行了微调，进一步完善了新模型。

接下来，能否将这个新的宇宙网模型用于天文观测呢？研究人员用哈勃太空望远镜档案库中350个类星体的数据做了一个实验。

艺术家笔下的类星体ULAS J1120+0641。/ NASA

类星体就像遥远宇宙中的手电筒，当它们发出的光穿过星系间气体后，光谱中会留下独特的吸收特征（星系间气体中的氢会吸收紫外线光谱中特定波长的光）。也就是说，天文学家可以通过分析光谱的紫外线特征，推测出星系空间之间的气体细丝，也就是宇宙网的特征。

研究人员选择的这350个类星体发出的光线，正好穿透了新模型使用的37000个星系所占的空间。对照后，研究人员发现，在新模型预测为空的地方，哈勃空间望远镜几乎观测不到氢；在新模型预测存细丝的地方，哈勃望远镜也观测到中等深度的氢的存在。这表明，新模型预测出的宇宙网结构，与根据类星体光谱推测出的气体细丝基本匹配。