一隻無聊的阿米巴蟲破譯了宇宙結構密碼？

第20屆「搞笑諾貝爾」（IgNobelPrizes）頒獎儀式上，日本北海道大學的數學生物學家中垣俊之（Toshiyuki Nakagaki）舉起發言稿對觀眾說：「這是一封來自聰明的多頭絨泡菌（Physarum polycephalum）的信」。然後，他開始繪聲繪色地讀了起來：

「我是一隻無聊的阿米巴蟲，常在人類的花園中漫遊，希望能與達爾文邂逅。但是，一群強盜科學家把我抓住，放進培養皿，用食物引誘我建造東京地區的交通網。雖然我只是一個沒有大腦的單細胞生物，但尋找最短路徑是我的強項，看到我的傑作你們一定感到很驚嘆吧。」

2010年9月30日，第20屆「搞笑諾貝爾獎」（IgNobelPrizes） 頒獎儀式上，日本北海道大學的數學生物學家中垣俊之 （Toshiyuki Nakagaki）發言。/ wikipedia

/ 神奇的斑點

中垣俊之在研究中用到的多頭絨泡菌，是黏液黴菌大家族中的一個成員。多頭絨泡菌一般呈亮黃色，通常生長在森林地面腐爛的原木和枯枝落葉上，有時也出現在草坪上。在野生狀態下，它們可能長得很「胖」，長成一個巨大的黃色海綿狀球體，直徑達數十釐米，也可能很不起眼，僅僅是落葉上一個蛋黃醬似的黃斑；而在實驗室的培養皿中，它們會沿著瓊脂變成薄薄一層，並長出像珊瑚一樣的漂亮分枝。

多頭絨泡菌一般呈亮黃色，是黏液黴菌大家族中的一個成員，堪稱地球上最怪異的生命形式之一，通常生長在森林地面腐爛的原木和枯枝落葉上。

在2010年的研究中，中垣俊之和同事設計了一個特殊的培養盒子，盒子內模擬了日本關東地區的地形。然後，他們將最大塊的食物放在盒子裡模擬東京的中心位置上，而其他小塊食物則被分散放置在盒子裡模擬關東地區36個主要車站的位置上。隨後，他們又利用多頭絨泡菌對光線敏感的特性，用光斑模擬了鐵路無法穿越的一些地形障礙，比如湖泊、高山等。

中垣俊之設計的模擬日本關東地區地形的培養盒，將多頭絨泡菌放在東京的位置，讓它們從中心向外生長。為了高效地覓食，多頭絨泡菌開始 有組織地向外擴散，並逐步建立了一個複雜的絲狀網絡（左圖）。更為有趣的是，中垣俊之和同事發現，它們形成的複雜網絡系統，在功效、 可靠性以及成本上都堪比真實世界的東京鐵路網（右圖）。

最後，中垣俊之和同事將多頭絨泡菌放在東京的位置，讓它們從中心向外生長。他們看到，為了高效地覓食，多頭絨泡菌開始有組織地向外擴散，並逐步建立了一個複雜的絲狀網絡。更為有趣的是，中垣俊之和同事發現，它們形成的複雜網絡系統，在功效、可靠性以及成本上都堪比真實世界的東京鐵路網。

多頭絨泡菌的不俗表現讓它聲名鵲起，甚至將魅力發散到了生物學界外的其他專業領域。

2010年3月，受多頭絨泡菌解決最短路徑問題的啟發，英國西英格蘭大學（University of the West of England）的非傳統計算機科學家傑夫·瓊斯（Jeff Jones）和同事將多頭絨泡菌的行為規則製作成了二維模型，開發了一個用於解決經典數學問題——尋找連接多點的最短距離的算法。而柏林藝術家賽吉·詹森（Sage Jenson）則在後來將基於模擬黏液黴菌生長的算法可視化，作為藝術品呈現出來。

柏林藝術家賽吉·詹森（Sage Jenson）將基於模擬黏液黴菌生長的算法可視化，作為藝術品呈現出來。/ sagejenson.com

看過詹森的作品後，加利福尼亞大學聖克魯斯分校的天文學家喬·伯切特（Joe Burchett）、計算機科學家奧斯卡·埃萊克（Oskar Elek）和他們的同事們萌發了一個更大膽的想法，他們打算用多頭絨泡菌生長模型來模擬宇宙中最大的結構——宇宙網。

/ 宇宙的腳手架

1985年， 哈佛-史密松天體物理學中心（Harvard–Smithsonian Center for Astrophysics）的天文學家通過紅移調查，繪製出了我們周圍1100個星系的分布地圖，並驚訝地發現，星系在空間中的分布幾乎是隨機的，它們似乎分布在「泡沫」的表面上，中間是較大的「空洞」，星系就圍繞在這些空白區域的周圍。這是天文學家首次意識到，宇宙可能是以類似網狀結構形式存在。

1989年後，天文學家又陸續發現了許多比超星系團更大、跨度達上億光年的結構，包括超星系複合體（supercluster complex）、星系長城（galaxy wall）和大尺度片狀結構（galaxy sheet）。再後來，包括斯隆數位化巡天（Sloan Digital Sky Survey，SDSS）在內的許多天文觀測越來越清晰得顯示，這些比超星系團尺度更大的結構，以及這些結構圍成的巨大空洞一同構成了宇宙中最大尺度的結構，也就是宇宙的腳手架——宇宙網。

宇宙大尺度模擬圖。/ NASA

對數億恆星和星系進行的大規模巡天，讓我們有機會窺探到宇宙網的「冰山一角」。但其實，我們能觀察到的只是宇宙網中很小的一部分，因為宇宙網中的物質中有85%是暗物質。暗物質僅通過引力與宇宙其餘部分相互作用，無法直接被觀察到。但幸運的是，暗物質會將一些常規物質拖入其中，這些常規物質就像海岸上的燈塔一樣，提示我們隱藏的暗物質潛伏在何處，為我們勾勒出了宇宙網幽靈一般的輪廓。

發光星系之間的稀薄物質，常常綿延數百萬光年，這些氣體細絲是宇宙網中最難研究的部分，雖然天文學家已經在理論上預言了它們的存在，但由於它們非常微弱，一直以來都很難探測，而這正是加利福尼亞大學聖克魯斯分校的科學家們想要利用多頭絨泡菌挑戰的課題。

/ 視覺的盛宴

伯切特（Borchert）是加利福尼亞大學聖克魯斯分校的天文學家和天體物理學家，他一直在尋找一種大規模可視化宇宙網的方法。埃萊克（Elek）則一直對大自然中的圖案著迷，他的專業是計算機科學，主要從事視覺計算方面的工作。

最初，當埃萊克建議伯切特使用多頭絨泡菌來做研究時，伯切特的內心是懷疑的。但埃萊克沒有放棄，他和同事將瓊斯之前開發的二維模型擴展到三維，並進行了一些調整，創建了一種稱為「蒙特卡洛絨泡菌機器」（Monte Carlo Physarum Machine）的新算法。

抱著試試看的心態，伯切特為新算法提供了37000個星系的數據，這些數據來自斯隆SDSS項目。算法開始運行了，它模仿多頭絨泡菌，將較大的星系當成大塊的食物，較小的星系當成小塊的食物，然後編織出了一張網，用最短的距離將所有星系連結在一起。

天文學家使用粘液模子模型揭示宇宙網結構。這個複雜的絲狀網絡是通過將37000個星系的位置和質量的數據輸入到基於黏液黴菌生長模式的算法中而創建的宇宙網的重建。下圖是小區域的展開圖，左側顯示了底層星系，右側顯示了疊加在星系上的宇宙網的細絲。/ NASA

埃萊克將計算機模型運行的結果，發給伯切特。伯切特立即被圖片呈現出的藝術化視覺效果震驚到了。「那一刻，我的態度發生了轉變，生成的宇宙網（與以前的模型相比）非常吸引人，」伯切特說，「我相信基於多頭絨泡菌的計算機模型是我們研究的新方向。」

當然，伯切特明白，模型結果與宇宙網的預期結構在視覺上強烈相似，並不能證明什麼。他們需要進行測試、調整，以完善和驗證模型。首先，他們將新模型與另一個模型進行了比對。加利福尼亞大學聖克魯斯分校物理學教授喬爾·普裡馬克（Joel Primack）開發的Bolshoi-Planck模型，是公認的、迄今為止最準確的宇宙大尺度結構模型，它顯示了大尺度下暗物質的分布，包括形成星系的巨大暗物質暈（環繞在星系外圍的暗物質）和連接它們的細絲。

自然環境裡的黏液黴菌網狀分布。/ wikipedia

研究人員將新算法得出的結果與原模型的結果進行比較後，他們驚喜地發現，兩者存在很強的相關性，新模型基本上複製了原模型中的網絡細絲。隨後，根據比照結果，研究人員對新模型的參數進行了微調，進一步完善了新模型。

接下來，能否將這個新的宇宙網模型用於天文觀測呢？研究人員用哈勃太空望遠鏡檔案庫中350個類星體的數據做了一個實驗。

藝術家筆下的類星體ULAS J1120+0641。/ NASA

類星體就像遙遠宇宙中的手電筒，當它們發出的光穿過星系間氣體後，光譜中會留下獨特的吸收特徵（星系間氣體中的氫會吸收紫外線光譜中特定波長的光）。也就是說，天文學家可以通過分析光譜的紫外線特徵，推測出星系空間之間的氣體細絲，也就是宇宙網的特徵。

研究人員選擇的這350個類星體發出的光線，正好穿透了新模型使用的37000個星系所佔的空間。對照後，研究人員發現，在新模型預測為空的地方，哈勃空間望遠鏡幾乎觀測不到氫；在新模型預測存細絲的地方，哈勃望遠鏡也觀測到中等深度的氫的存在。這表明，新模型預測出的宇宙網結構，與根據類星體光譜推測出的氣體細絲基本匹配。

天文學家使用阿塔卡馬大毫米/亞毫米陣列（ALMA）在115億光年外發現了原星團SSA22。年輕的星系似乎駐留在暗物質網中巨大細絲的交界處。這些發現對於理解像這樣的怪星系是如何形成的以及它們如何演化成巨大的橢圓形星系非常重要。/ NASA

不過，在細絲最密集的區域，哈勃望遠鏡觀測到氫濃度在下降，伯切特認為，這也符合預期，因為這些區域高能事件較多，會使氫離子化，從而消除吸收特徵。在研究人員看來，新模型表現不錯，我們又有了一種了解宇宙網結構的全新方法，不僅能預測宇宙網細絲的位置，還能真正找到它們。

不知道伯切特和同事用多頭絨泡菌模擬宇宙網的研究，會不會也入選「搞笑諾貝爾獎」。畢竟設立這一獎項的初衷，就是為了表彰那些「不一樣」的研究，表達對想像力的尊重，並啟迪人們對科學、醫學和技術領域的興趣。正是這些最本真的追求，推動著科學的進步。

作者簡介 /

廖紅豔，畢業於江西師範大學化學系化學教育專業和清華大學中文系編輯出版學專業，現為自由科學作者。

來源：《中國國家天文》

編輯：zhenni