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不靠內建記憶體的空間記憶

這是台灣第一部由黏菌主演的電影(咦)

十年前,當我們得自己去個没去過的地方,第一件事大概是要找本地圖看清楚位置,接著把地圖記進腦袋裡邊走邊對照,一直到抵達目標為止。現在我們做的事換成上網查 Google Map 再記進腦袋,或者上車開導航。我們在做的,是把前人對那個空間留下的記錄以地圖方式存在手邊,再依著地圖找到目標。所以如果你想要找到對的路,地圖資料庫跟儲存資料的大腦/導航機都是必要的。

演化上最早出現的單細胞微生物是怎麼找到通往食物的路的呢?我們人類在街上可以跟著香味找到香雞排臭豆腐,微生物也可以靠著食物擴散出來的味道找對方向。不過如果路上有牆,微生物有没有聰明到應該暫時不要對著香味來的方向猛撞牆,反而知道要轉向去試試別的方向,而且知道要避開自己或同伴走過但失敗的路呢?

問這個問題其實有個好玩的理由。如果你要設計個機器人能自己找到路,你得教它有個決定下一個移動方向的準則,隨機亂走還能到目的地的機會實在是太低了。地圖式的找路法一定要有前人提供的地圖資料庫,而且這個系統還要有個儲存地圖資料的高級設備,所以這招對於没人去過没地圖的地方就無可奈何了。這些技術在你需要建個能自己找路去救人的機器人時就變得重要了。有没有更簡單的找路方法呢? 演化早就幫我們提供了各種答案,只是我們得在自然界裡找到跟我們碰到同樣問題的生物,學習它們解決問題的方法就好了。微生物天天得找食物活下去,碰到障礙是心免不了的。它們怎麼找路?到底生物最原始最簡單的找路策略是什麼?

研究裡用的黏菌長這樣(這是原論文裡的圖)

該讓黏菌上場了。黏菌是單細胞生物,在没東西吃餓到的時候會大家聚成一團黏呼呼的移動,變成偽多細胞動物的單細胞動物群體,你在登山步道旁倒木上看到黃黃黏黏的網狀物很可能就是它們。這種和彭于晏關穎主演過偶像電影的單細胞動物,到底怎麼搞清楚自己的覓食路線?一群來自澳洲和法國的研究人員設計了這樣的實驗:把黏菌放在一堵長得像足球球門的牆前面,在球門後面放食物,然後看黏菌能否繞過球門找到食物。請注意我們有顆構造無比複雜而且裝滿大量互相連來連去的神經元的腦,而單細胞的黏菌只能靠自己,頂多跟同伴手牽手而已。如果有什麼簡單法則可以讓黏菌找到食物,那一定能借來用在機器人的設計上面。

結果黏菌只用了一種簡單的法則就搞定這個難題:不走走過的路。黏菌凡走過必留下黏液。研究人員先弄來一組 Y 字形迷宮,先在兩條路的盡頭都放食物,再在其中一條路的的路口塗上黏液。聰明的黏菌認定有黏液就是走過的路,拒絕再走,選了没黏液的那條。這個實驗證明了黏菌會靠黏液來認路。再來研究人員讓黏菌過球門牆,黏菌會往食物香味方向直直向前,接到障礙後轉向,最後九成多的群體可以找到食物。接著研究人員把培養基表面舖滿黏液再放黏菌上去。這下黏菌傻了;因為它找不到還没試過的方向,不知道該往哪去了。舖滿黏液這招大大降低黏菌在五天內找到食物的成功率到三成多而已。

研究裡讓黏菌玩的球門牆(這是原論文裡的圖)

騙倒單細胞黏菌不是重點,没啥成就感嘛。不過單細胞生物用它們不靠內建記憶體,單靠在體外做記號的方法就能讓自己和同伴留住空間資訊,單是這點就可以有效填加找到目標的機會。回頭想想我們其實也會做這種事,童話故事裡都有教認路都說可以丟東西做記號(但不要用麵包屑),辦活動走位要先在地上舞台上貼好標籤或者用粉筆標一下該站哪裡。這一招,顯然是動物在演化早期就出現,成為留下空間記憶的有效步數了。

研究原文:

Chris R. Reid, Tanya Latty, Audrey Dussutour, and Madeleine Beekman. Slime mold uses an externalized spatial “memory” to navigate in complex environments. PNAS 2012 109 (43) 17490-17494.

 

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關於作者

陳俊堯

慈濟大學生命科學系的教書匠。對肉眼看不見的微米世界特別有興趣,每天都在探聽細菌間的愛恨情仇。希望藉由長時間的發酵,培養出又香又醇的細菌人。