Leo

黏菌是群體智能的代表：個(gè)體是單細(xì)胞，但菌落的繁殖移動(dòng)卻像是擁有智慧——可以找到食物之間的最短路徑。在一項(xiàng)最新研究中，黏菌的群體智能被進(jìn)一步開(kāi)發(fā)——研究者參考黏菌生長(zhǎng)設(shè)計(jì)出的新算法，竟然能夠高質(zhì)量地模擬宇宙演化的過(guò)程，井構(gòu)建出可信的星系間暗物質(zhì)網(wǎng)絡(luò)。

繪制宇宙網(wǎng)的黏菌算法

根據(jù)廣為接受的大爆炸理論，在大爆炸之后，彌漫在宇宙中的物質(zhì)逐漸形成了星系、星云等天體，天體之間則存在著巨大的空洞。依照現(xiàn)有理論，這些大型天體并不是孤立地運(yùn)轉(zhuǎn)在這片虛空之中的，而是由暗物質(zhì)和氣體構(gòu)成的細(xì)絲把眾多的星體聯(lián)系在一起，形成了宇宙網(wǎng)（cosmicweb）。這些看不到的暗物質(zhì)，在宇宙，總物質(zhì)中的占比達(dá)到驚人的85%?？茖W(xué)家卻很難觀測(cè)這些包含暗物質(zhì)和氣體的絲線，因?yàn)樗鼈兇_實(shí)“暗”得難以被探測(cè)到。

群有著黃色黏液的黏菌啟發(fā)了加州大學(xué)圣克魯茲分校的天文學(xué)家和計(jì)算機(jī)科學(xué)家，他們利用黏菌的生長(zhǎng)模型設(shè)計(jì)了一種算法，以幫助天文學(xué)家們計(jì)算出宇宙網(wǎng)。這一創(chuàng)造性的算法為預(yù)測(cè)宇宙網(wǎng)的大尺度結(jié)構(gòu)提供了新方法。

黏菌——科學(xué)家的老朋友

黏菌可以說(shuō)算得上是科學(xué)家的老朋友了，尤其是一種被稱為“海綿寶寶”的黏菌——多頭絨泡菌（Physarumpolycephalum），更是廣為人知的學(xué)術(shù)明星。

多頭絨泡菌常見(jiàn)于森林的朽木和落葉中。多個(gè)細(xì)胞聚集在一起形成的原生質(zhì)團(tuán)（一種成分復(fù)雜的膠體），會(huì)為了尋找食物而四處“爬動(dòng)”，從而繪制出往來(lái)食物之間的最優(yōu)路徑，最終形成復(fù)雜又迷人的網(wǎng)絡(luò)。科學(xué)家就曾做過(guò)利用黏菌走迷宮的實(shí)驗(yàn)，更廣為人知的，可能就是利用多頭絨泡菌繪制東京交通網(wǎng)絡(luò)的實(shí)驗(yàn)了。

黏菌算法

這個(gè)利用黏菌模型來(lái)實(shí)現(xiàn)的多主體算法并不算復(fù)雜。首先，把輸入的數(shù)據(jù)模擬為黏菌要找的食物（deposit）。黏菌為了尋找食物會(huì)依照隨機(jī)選定的角度和距離移動(dòng)，并在網(wǎng)絡(luò)中留下隨機(jī)游走的軌跡（trace），最終會(huì)布滿整個(gè)空間。這時(shí)，再依次去除掉黏菌主體（agents）和黏菌的食物（deposit），就得到了一幅路徑網(wǎng)絡(luò)圖。

這一算法被命名為蒙特卡洛絨泡機(jī)（MonteCarloPhysarumMachine，MCPM）。當(dāng)然，研究者也指出，他們開(kāi)發(fā)出的模型已經(jīng)高度抽象，相比最初來(lái)自黏菌的靈感已經(jīng)走出很遠(yuǎn)。同時(shí)，研究者們也會(huì)繼續(xù)完善這一算法。

在OskarElek建議JoeBurchett利用黍黏菌的生長(zhǎng)模型來(lái)做宇宙網(wǎng)絡(luò)的模擬時(shí)，Joe對(duì)比表示過(guò)懷疑，畢竟黏菌的生長(zhǎng)與宇宙網(wǎng)絡(luò)的形成這二者背后的原理完全不同。但結(jié)果是，他們進(jìn)一步利用斯隆數(shù)字化巡天（SloanDigitalSkySurvey，SDSS）提供的包含著3.7萬(wàn)個(gè)星系的數(shù)據(jù)集，驗(yàn)證了黏菌算法（MCPM算法）的準(zhǔn)確性——小小的黏菌繪制出的宇宙網(wǎng)令人信服。

探索宇宙演化的新方法

這一成果揭示了宇宙中暗物質(zhì)大尺度的分布情況。Burchett的研究團(tuán)隊(duì)使用的數(shù)據(jù)來(lái)自Bolshoi-Planck宇宙學(xué)模擬（一個(gè)全域純暗物質(zhì)模擬項(xiàng)目）。在從這個(gè)模擬項(xiàng)目中抽離出暗物質(zhì)資料后，研究者運(yùn)行了他們構(gòu)建暗物質(zhì)網(wǎng)絡(luò)的黏菌算法。在他們把經(jīng)由黏菌算法建立的宇宙網(wǎng)與模擬項(xiàng)目的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)時(shí)，發(fā)現(xiàn)二者的差異不大。

這是科學(xué)家第一次得以量化星系際介質(zhì)（IGM）的密度。黏菌繪制的網(wǎng)絡(luò)告訴科學(xué)家，暗物質(zhì)和氣體組成的細(xì)絲會(huì)存在于哪里?？茖W(xué)家們就可以據(jù)此，利用哈勃望遠(yuǎn)鏡記錄的光譜數(shù)據(jù)，通過(guò)信號(hào)強(qiáng)弱特征來(lái)判斷氣體的密度。

這一成果驗(yàn)證了宇宙學(xué)模型所預(yù)測(cè)的宇宙宏觀結(jié)構(gòu)，而這些由宇宙中的氣體細(xì)絲架起的連接，也加深了我們對(duì)宇宙演化的理解。

給我45萬(wàn)個(gè)暗物質(zhì)光暈，我們可以得到一個(gè)與模擬幾乎一樣的密度場(chǎng)。

——黏菌算法的設(shè)計(jì)者、計(jì)算機(jī)媒體學(xué)博士后OskarElek

我們不僅僅想研究星系以及它們?cè)谟钪嬷械奈恢?，也需要研究存在于星系間的星系際介質(zhì)。因?yàn)橹挥性谀菢雍甏蟮某叨认拢覀儾拍芾斫庑窍笛莼倪^(guò)程。

——黏菌算法的設(shè)計(jì)者、天文與天體物理學(xué)博士后JoeBurchett